Po upływie sześćdziesięciu lat od znalezienia na Księżycu tajemniczego czarnego Monolitu, zostawionego tam przez przedstawicieli wysoko rozwiniętej kosmicznej cywilizacji, i od będącej konsekwencją tego odkrycia wyprawy, żyje jeszcze ostatni uczestnik tamtych wydarzeń, profesor Heywood Floyd.
Wydawałoby się, że wycieczka statkiem kosmicznym na przelatującą Układ Słoneczny kometę Halleya stanie się dla Floyda ostatnim astronautycznym wyczynem. Oto jednak los sprawia, że profesor raz jeszcze trafia w okolice Jowisza, gdzie pół wieku wcześniej, w trakcie drugiej misji kosmicznej, ludzie stanęli oko w oko z niewyobrażalną potęgą Obcych.
Heywood Floyd spotyka tam istotę, która była kiedyś porucznikiem Davidem Bowmanem, odnajduje też komputer HAL-9000 i uchyla rąbka tajemnicy okrywającej przyszłe losy człowieka.