Спустя девять лет после провала первой миссии к Юпитеру, за брошенным кораблем «Дискавери» отправляется совместная экспедиция на борту советского «Леонова». Хейвуд Флойд летит вместе с русскими техниками и американскими экспертами, чтобы успеть перехватить дрейфующий остов, пока тот не рухнул на серную поверхность Ио. Внутри станции всё занесло желтой вулканической пылью, царит гробовая тишина и холод. Пока доктор Чандра копается в железках, пытаясь по коду восстановить логику съехавшего с катушек HAL 9000, экипаж натыкается на гигантский черный Монолит, который болтается в пустоте и игнорирует любые запросы. Атмосфера накаляется из-за новостей с Земли: там сверхдержавы оказались на грани ядерного конфликта, а здесь, в космосе, Флойду начинают приходить мистические текстовые помехи от призрака Боумена, требующего немедленно сматывать удочки.
План спасения строится на рискованной связке двух кораблей, чтобы использовать их общую тягу для разгона. В это время на самом Юпитере разрастается аномальное черное пятно, состоящее из мириадов самокопирующихся Монолитов. Эти объекты начинают пожирать вещество планеты, спрессовывая газовый гигант до критических температур. Людям приходится поставить всё на восстановленный компьютер, ведь малейшая ошибка в расчетах траектории оставит их в эпицентре взрыва. В момент старта Юпитер буквально схлопывается и вспыхивает, превращаясь в маленькую звезду, которая дает системе второе солнце. Экипаж едва успевает уйти на безопасную дистанцию, наблюдая в иллюминаторы, как меняется физика целой реальности и рождается новый мир, закрытый для человечества.
