Depuis 2001, le vaisseau américain Discovery tourne autour d'une lune de Jupiter après que l'ordinateur de bord H.A.L. 9000 se soit détraqué et ait refusé d'obéir au commandant Bowman. Qu'est-il devenu ? Telle est la question qui obsède le docteur Floyd, patron du vol Discovery en 2001. Depuis neuf ans, son idée est d'aller sur place. Un vaisseau est en construction. Projet secret, sauf pour son homologue russe qui lui confie qu'eux sont déjà prêts pour se rendre là-bas. Un seul obstacle, la méconnaissance d'informations possédées par les seuls Américains, d'où la proposition d'emmener Floyd. Après accord des gouvernements respectifs, trois savants américains, dont Floyd, partent sur le Léonov, commandé par Tanya Kirbuk. Longtemps après, le Léonov approche de Jupiter et du vaisseau Discovery. Pendant que l'ordinateur H.A.L. 9000 est remis en fonctionnement, les nouvelles de la Terre sont alarmantes. Russes et Américains sont face à face dans la mer des Caraïbes. L'atmosphère se tend dans le Léonov. Tany, contre l'avis de Floyd, envoie un homme examiner un grand monolithe noir. L'homme s'évanouit en poussière. Alors que Floyd se trouve dans le Discovery après la rupture des relations diplomatiques U.R.S.S.-U.S.A., H.A.L. 9000 lui transmet un message : il faut partir au plus vite, quelque chose d'extraordinaire va se produire. La seule façon de fuir est l'entraide entre les deux vaisseaux. Par delà leurs gouvernements, Tanya et Floyd s'y emploient. Pour le plus grand bien de l'humanité.