2010年，美苏两国联合组建新的太空考察队重返木星。前国家航天委员会主任弗洛伊德博士带领团队，包括发现号航天站设计者科脑博士和HAL9000电脑创始人钱德拉博士，与苏联宇航员合作前往木星轨道。他们的任务是调查九年前发现号航天站的诡异事故，查明宇航员大卫·鲍曼失踪真相，并探索木卫二上神秘黑色巨石的秘密。在对接苏联空间站后，团队发现被遗弃的发现号航天站和故障的HAL9000电脑。随着调查深入，他们逐渐揭开隐藏在木星系统中的惊人真相，同时面临来自未知高等文明的警告。当考察队试图修复HAL9000时，木星系统开始发生超出人类理解范畴的异变，一场关乎人类命运的太空冒险就此展开。