在2001年，Dave Bowman帶領的美國、蘇聯聯合考察隊登陸木星，去查明是否有什么強大的生物在木星上存在，因為新近在木星附近發現的一塊神秘的黑色巨石令美國議員們忐忑不安。但考察隊一去不復返，只留下Dave Bowman最后的驚呼：“上帝啊，這里全是星……”現在，2010年，十年前負責考察活動的Heywood Floyd博士（Roy Scheider飾）將再赴火星。他和全體隊員的任務是，找到并修復當年考察隊使用的HAL-9000電腦，以弄清十年前發生的事……