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Nueve años después de que la USS Discovery se perdiese en el espacio, una expedición conjunta de los Estados Unidos y la Unión Soviética es enviada a Júpiter para reactivar el ordenador Hal 9000, que dirigía la nave accidentada, y descubrir el problema que frustró la expedición del Discovery misión así como el significado de las últimas transmisiones de uno de los tripulantes. El doctor Floyd, jefe de la expedición, a su llegada a Júpiter se encuentra con el gran monolito negro que la primera misión pretendía investigar.