Die Odyssee geht weiter. In der Fortsetzung des Kultfilms fliegen Amerikaner und Russen gemeinsam ins All. Sie suchen Kontakt mit intelligentem Leben, um das größte Geheimnis der Menscheit zu lüften. Was liegt hinter den Sternen?

Der Film beginnt, als sich eine amerikanisch-sowjetische Mission aufmacht, um den Grund des Versagens des verlassenen Raumschiffs Discovery zu erforschen. An der Discovery angekommen, müssen der Führer des amerikanischen Teams (Roy Scheider) und die Führerin des russischen Teams (Helen Mirren) das offensichtliche Versagen des berüchtigten Bordcomputers HAL 9000 untersuchen. Außerdem müssen sie die Bedeutung von unzähligen mysteriösen schwarzen Monolithen ergründen, die sich auf Jupiter versammeln (diese Interpretation hat Kubrick ursprünglich seinen Zuschauern überlassen). Währenddessen befindet sich die Erde am Rande eines nuklearen Krieges. Eine Erscheinung des Astronauten David Bowman (Keir Dullea) scheint wiederholt zu versprechen, dass "etwas Wundervolles" passieren wird.