Mens jorden trues med atomkrig planlegger NASA en ekspedisjon ut i verdensrommet, blant annet for å undersøke hva som egentlig hendte med romskipet Discovery da det havarerte 9 år tidligere etter at datamaskinen om bord gikk amok. Romskipet har siden gått i bane rundt en av Jupiters måner, men snart registrerer de at Discovery er i ferd med å trekkes ujevnt mot Jupiter. Men amerikanerne havner i en kinkig posisjon når de oppdager at russerne ligger langt foran og vil nå frem før dem. Landene som er på randen av krig, må samarbeide. Det inngås en avtale om at amerikanske forskere får være med romskipet Leonov, mot at ingen informasjon om hva HAL 9000 oppdaget blir holdt tilbake. Etterhvert som de nærmer seg Jupiter begynner en lang rekke uforklarlige ting å skje. Kan de stole på HAL 9000? Er Dave Bowman egentlig død? Og hva er i ferd med å skje på Jupiter?