2010年

西暦2001年、月面で発見された謎の黒石板、モノリス解明のために、アメリカの宇宙船ディスカバリー号が木星へと旅立った。途中、コンピュータＨＡＬ9000が反乱を起こし、ボーマン船長（ケア・ダレー）を除いた乗組員全員を殺した。ボーマンは、モノリスが木星を回っているのを発見し「何てことだ。星がいっぱいだ」という言葉を残し行方不明となってしまった。そして2010年。ディスカバリー号の計画責任者で元アメリカ宇宙飛行学会議議長のヘイウッド・フロイド博士（ロイ・シャイダー）、ＨＡＬの生みの親チャンドラ博士（ボブ・バラバン）、ディスカバリー号を再生させる訓練を受けたエンジニアのカーノウ（ジョン・リスゴー）の3人は、ソビエトのタニヤ船長（ヘレン・ミレン）らと共に宇宙船レオーノフ号に乗り込み、木星へと向かった。