在《2001太空漫游》结束九年后，前国家航天委员会主任弗洛伊德博士（罗伊·谢德 Roy Scheider 饰）接受美苏合作计划，率领发现号航天站设计者科脑博士（约翰·利思戈 John Lithgow 饰）以及HAL9000电脑的创始人钱德拉博士（鲍勃·巴拉班 Bob Balaban 饰），前往木星附近的苏联航空站。他们与苏联宇航员卡布珂（海伦·米伦 Helen Mirren 饰）等人展开合作，搭乘美国发现号航天站，调查九年前那场事故的真相，探索木卫二上神秘的黑石，并查明宇航员大卫·伯曼（凯尔·杜拉 Keir Dullea 饰）神秘失踪的原因。
然而，任务尚未完成，美苏关系便日益紧张，战争似乎一触即发。就在局势不断恶化之际，原本失踪多年的大卫·伯曼突然现身，并向弗洛伊德博士发出意味深长的神秘警告。
影片改编自亚瑟·克拉克的小说《2010太空漫游》，并获第59届奥斯卡最佳艺术指导—布景、最佳服装设计、最佳视觉效果、最佳化妆和最佳声效五项提名。
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