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Neun Jahre, nachdem die Erde den Kontakt zum Raumschiff Discovery verloren hat, bereiten die Vereinigten Staaten und die Sowjetunion jeweils bemannte Flüge zum Jupiter vor, um den dort befindlichen Monolithen zu erkunden und die Ereignisse auf der Discovery zu ergründen. Dr. Heywood Floyd wird von einem sowjetischen Funktionär darauf hingewiesen, dass die Umlaufbahn der Discovery um den Jupitermond Io instabil ist und die Discovery 2 nicht rechtzeitig fertiggestellt werden kann, um sie noch vor ihrem Absturz zu erreichen. Daraufhin wird beschlossen, eine gemeinsame Mission mit einem nach dem Kosmonauten Alexei Leonow benannten sowjetischen Raumschiff durchzuführen, das den Jupiter ein ganzes Jahr früher erreichen kann. Den US-amerikanischen Teil der Mannschaft bilden Dr. Heywood Floyd, der für die ursprüngliche Mission der Discovery verantwortlich war, Dr. Walter Curnow, ein Experte für die Systeme der Discovery, und Dr. R. Chandra, der ihren Bordcomputer HAL 9000 entwickelt hatte.