《2001太空漫游》后9年，前国家航天委员会主任弗洛伊德博士（罗伊•谢德 Roy Scheider 饰）接受苏美合作计划，带领发现号航天站设计者科脑博士（约翰•利思戈 John Lithgow 饰）和HAL9000电脑的创始人钱德拉博士（鲍勃•巴拉班 Bob Balaban 饰）登录木星附近的苏联航空站，与苏联宇航员卡布珂（海伦•米伦 Helen Mirren 饰）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（凯尔•杜拉 Keir Dullea 饰）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。
本片改编自亚瑟•克拉克的小说《2010太空漫游》，获第59界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。

为了解开神秘的石柱突然屹立于地面并攻击人的秘密，原子动力太空般帝斯卡巴里号出发飞往距离八亿公里远的木星。此宇宙飞船的成员包括波曼船长、布鲁飞行员及三个在圆筒内冬眠的队员等五人。途中电脑HAL发生错乱，破坏了冬眠装置，布鲁被诱出船外，于黑暗的太空中被杀，波曼船长则被困在母船中，与之展开生死格斗，结果人类终于获胜。不久宇宙飞船在进入木星的轨道后，因船长发现某地有与月球上的石柱一模一样的东西，就驶向它，却发生意外。当他醒来时，看见自已正和宇宙飞船在路易十六的寝室中。超越时间与空间，所有的一切东西都消失于白光之中后，飘浮在太空上的绿色地球，由一胎儿看守着，此胎儿正是波曼转世而成的，正继续等待着自己出生的日子。这部内容以不远的未来为背景，在广阔的宇宙空间中，人类将面对不可思议之事。