Neun Jahre nach dem letzten Kontakt mit dem Raumschiff Discovery, das am Jupiter die Spur des schwarzen Monolithen verfolgen sollte, startet die Leonov mit einer russisch-amerikanischen Besatzung, um das Rätsel zu lösen. An Bord ist auch Dr. Heywood Floyd, der bereits die Mission des Jahres 2001 betreute. Während sich auf der Erde der Ost-West-Konflikt wieder zuspitzt, begreifen die Astronauten, dass ihre einzige Überlebenschance in der Zusammenarbeit liegt. Man stößt auf die verwaiste Discovery, und Dr. Chandra, der Konstukteur von HAL 9000, kann den Bordcomputer wieder aktivieren. Der Geist von David Bowman erscheint und verkündet wundersame Ereignisse. Während die Leonov die Heimreise antritt, verwandelt der Monolith den Gasplaneten Jupiter in die neue Sonne Lucifer. In HALs letzter Botschaft werden der Menschheit die Jupitermonde zum Geschenk gemacht - mit Ausnahme von Europa, auf dem sich eigenes Leben entwickelt hat.