时间来到2010年。前苏联、美国虽然处于冷战，但为了调查九年前“发现号”事件中超级电脑HAL9000的暴走原因以及宇航员大卫·鲍曼的失踪之谜，两国不得不联手展开新的“列昂诺夫号”联合任务。海伍德·弗洛伊德博士带领团队前往木星轨道。
当他们接近“发现号”残骸时，发现那块巨大的黑色石板TMA-2仍然漂浮在木星卫星轨道上。团队成员不仅要面对冷战时紧绷的政治局势、飞船老化的技术故障，还要应对重新激活的HAL9000的伦理困境。
随着探索的深入，他们逐渐理解了黑石存在的意义：它并非武器，而是一道星门，大卫·鲍曼已经成为了超越人类形态的存在，而木星本身，即将被点燃。
作为《2001太空漫游》的续集，它没有尝试超越前者的哲学高度，而是选择了一条更传统、更有人情味的科幻叙事道路。它解答了前作的诸多谜团，同时保持了硬科幻的科学严谨性。HAL的救赎线非常感人，美苏宇航员在太空中的合作在冷战背景下显得尤为珍贵。
结尾木星之变，画面极具震撼力。
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