2010年宇宙の旅
前作で失敗に終わったディスカバリー号による木星探査から9年後の世界が舞台である(映画版『2001年宇宙の旅』ではディスカバリー号の目的は木星探査であったが、小説版『2001年宇宙の旅』では木星ではなく土星が目的地であった。この矛盾点はクラーク自身が『2010年宇宙の旅』の序文において言及している)。
ディスカバリー号の船長デビット・ボーマンの上司であり、前作において月のティコクレーターで発見されたモノリス (TMA-1) の調査を行ったヘイウッド・フロイド博士が本作の主役である。フロイド博士を含むアメリカとソ連の共同チームは、木星系で連絡を絶ったディスカバリー号を調査するために、ソ連の宇宙船レオーノフ号に乗り込み、木星に向かった。
その頃、レオーノフ号より遅れて地球を出発した中国の宇宙船チェン号も、木星を目指していた。チェン号は燃料消費量を考えないほどの加速を行い、レオーノフ号よりも先に木星に到着した。そして、エンジンの推進剤としての水を補給するために、木星の第二衛星エウロパへ着陸した。しかし、着陸後の水の補給作業中に、エウロパの海に生息していた大きな生命体によって、船体をつぶされてしまう。ただ一人生き残った男から、レオーノフ号へ無線が届き、その概要が明らかになった。その生命体は、船の照明灯にひかれて海から現れ、動物とも植物とも分からなかったそうだ。
男は、また連絡すると言ったが、二度と声は聞こえなかった。
レオーノフ号はディスカバリー号との邂逅(再会)に成功し、人工知能HAL 9000の製作者であるチャンドラ博士がHAL 9000の復旧を行う。
その頃、前作で行方不明になったボーマン船長は、モノリスを制御している宇宙人のように、実体を持たないエネルギー生命体になっていた。小説版ではボーマンは宇宙人の指示により、エウロパの氷の下の調査などを行う。エウロパの氷の下には水棲生物が生息し、木星本星の雲の下では鳥類のような生物が生息していた。どちらもまだ原始的な生物であったが、宇宙人はエウロパの生物の方がより高等な生物に進化する可能性が高いと考えていた。ボーマンは遠く離れた地球へ移動し、人間のデイビット・ボーマンだった時の大切な人々を訪ねる。小説版、映画版ともに母親の髪をブラシで梳くシーンと、テレビ画面を通じて元恋人(映画版では元妻。小説版のボーマン船長は結婚していない)と会話するシーンが描かれる。
ボーマンは塵を集めてかつての自分の立体映像を作ってフロイド博士の前に姿を現し、博士に15日以内に木星から離れるよう警告する。フロイド博士は理由を尋ねるが、ボーマンは「素晴らしい何か」が起こるとだけ答える。フロイド博士は他の乗組員を説得しようと苦心するが、木星に突然黒点が現れ、それが急速に大きくなっていくことがわかり、皆が異状に気付く。