En 2010, dix ans après l'arrêt du fonctionnement de l'astronef Discovery en orbite autour de Jupiter, et le dernier message de David Bowman, chef pilote de la première mission américaine vers la planète géante, une nouvelle expédition est lancée par l'Union Soviétique, associant une équipe russe et trois experts américains. Leur but est de remettre en état le Discovery, puis de tenter la réactivation de son ordinateur de bord Hal 9000, qui détient peut-être dans ses mémoires la clef des événements mystérieux à l'origine de l'échec de la mission américaine de 2001.