Une équipe d'Américains et de Soviétiques se lance à la recherche de l'ordinateur de bord d'un vaisseau qui a mystérieusement disparu dans l'espace.
Depuis l'an 2001, le vaisseau américain Discovery tourne autour d'un satellite de Jupiter. L'ordinateur de bord CARL 9000 s'est déréglé et refuse d'obéir au commandant Bowman. Qu'est-il devenu ? Le docteur Floyd veut absolument en savoir plus. Il n'a qu'une idée en tête : partir à sa recherche...