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在2001年人类已经可以进行太空旅行。弗洛依德博士是美国在月球克莱维斯研究基地的负责人之一，这次他秘密返回基地调查一起神秘的事件。原来，基地研究员在月球某地发现了一个神秘的强磁性柱子，这个柱子显然是在四百万年前被人故意埋在那里的。正当弗洛依德博士率领6位科学家对其进行考察研究的时候，奇怪的事情发生了。 16个月后，美国又派遣了5位科学家搭乘巨型飞船前往木星进行考察，此行目的对外宣称是对16个月前发生在月球上的“克莱维斯事件”进行研究。飞船的日常管理工作由从来不犯错误，且具有人类逻辑思维方式的超级电脑HAL

在2001年，Dave Bowman带领的美国、苏联联合考察队登陆木星，去查明是否有什么强大的生物在木星上存在，因为新近在木星附近发现的一块神秘的黑色巨石令美国议员们忐忑不安。但考察队一去不复返，只留下Dave Bowman最后的惊呼：“上帝啊，这里全是星……”现在，2010年，十年前负责考察活动的Heywood Floyd博士再赴木星。他和全体队员的任务是，找到并修复当年考察队使用的HAL-9000电脑，以弄清十年前发生的事。

《2001太空漫游》后9年，前国家航天委员会主任弗洛伊德博士接受苏美合作计划，带领发现号航天站设计者科脑博士和HAL9000电脑的创始人钱德拉博士登陆木星附近的苏联航空站，与苏联宇航员卡布珂等合作，空中接轨美国发现号航天站，调查九年前的事故原因，探索木卫二的神秘黑石，并查明宇航员大卫•伯曼缘何神秘失踪。然而任务执行尚未过半，美苏关系愈发紧张，战争一触即发；与此同时，大卫•伯曼竟突然现身对弗洛伊德博士发出神秘警告。