Прошло девять лет с тех пор, как «Дискавери» замолчал где-то у Юпитера, и теперь туда летит объединенная команда на советском корабле «Леонов». Хейвуд Флойд, который чувствует свою вину за ту прошлую катастрофу, отправляется вместе с нашими инженерами и американскими спецами. Им нужно успеть добраться до заброшенного корабля раньше, чем он упадет на спутник Ио, и понять, что же на самом деле случилось с экипажем и почему сошел с ума компьютер HAL 9000. Когда они стыкуются с «Дискавери», внутри всё выглядит как застывший склеп: темно, пусто и повсюду желтоватый налет от серных выбросов вулкана. Чандра пытается реанимировать интеллект корабля, буквально по кусочкам восстанавливая его логические цепи, а остальные тем временем наблюдают за огромным черным Монолитом, который висит неподалеку в пространстве и совершенно не реагирует на радиосигналы или попытки сближения.
Ситуация становится совсем странной, когда на Земле и на самом корабле начинают происходить необъяснимые вещи. Флойд видит на экране странные помехи, которые складываются в сообщения от пропавшего когда-то Боумена, и тот предупреждает, что им нужно уходить от Юпитера как можно скорее. Американцы и русские пытаются договориться, несмотря на то что дома между их странами вот-вот начнется война, и решают объединить двигатели обоих кораблей для рывка назад. В это время на поверхности планеты-гиганта появляется огромное черное пятно, которое начинает быстро расти, пожирая облака. Монолиты размножаются в геометрической прогрессии, буквально сдавливая Юпитер, и становится понятно, что происходит какая-то глобальная перестройка материи. Экипажу приходится довериться восстановленному HAL 9000, понимая, что если он снова даст сбой при запуске двигателей, они просто сгорят в рождающемся пламени новой звезды. В итоге они улетают, видя в иллюминаторы, как газовый гигант превращается во второе солнце, меняя всю систему навсегда.
