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（Roy Scheider饰）将再赴火星。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……