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Der Film beginnt damit, dass eine amerikanisch-sowjetische Mission sich auf den Weg zu einem verlassenen Raumschiff macht. Die Wissenschaftler sollen den Grund des Versagens erforschen.

Dort angekommen, müssen der Leiter des amerikanischen Teams und die Leiterin des russischen Teams das offensichtliche Versagen des berüchtigten Bordcomputers HAL9000 untersuchen. Außerdem müssen sie die Bedeutung von unzähligen mysteriösen schwarzen Monolithen ergründen, die sich auf Jupiter versammeln.

Währenddessen befindet sich die Erde am Rande eines nuklearen Krieges. Eine geheimnisvolle Erscheinung des Astronauten David Bowman kündigt wiederholt an, dass »etwas Wundervolles« passieren wird...