Una tripulación soviéticoestadounidense, que incluye al Doctor Heywood Floyd que ya aparecía en 2001, viaja en la nave espacial soviética Alexei Leonov —llamada así en honor del famoso cosmonauta— con el fin de descubrir qué salió mal en la misión anterior, investigar el monolito que sigue en órbita alrededor del planeta y averiguar todo lo posible sobre el mal funcionamiento de la computadora HAL 9000 y la posterior desaparición del astronauta David Bowman.