故事开始於2010年，在2000年的担任木星任务的主持佛洛伊德博士因木星任务的失败，已经辞去美国太空总署的工作，转投担任夏威夷大学的校长。在一次学术会议中，佛洛伊德博士与好友兼竞敌俄国科学家莫依斯维加博士见面，见面当中，莫依斯维加博士透露因当年美国太空总署的计算失误，被太空人鲍曼弃置在木星卫星轨道的发现号，即将坠落在木星的其中一颗卫星伊奥上，虽然发现号被弃置在轨道上，但部分木星任务的资料仍然寄存在超级电脑哈儿的硬盘上，美国太空总署不希望有关的重要资料毁灭，但美国并没有即时可以出发的太空船，於是与俄国合作，由俄国的太空船里奥诺夫号接载包括佛洛伊德博士在内的三名美国科学家，完成拯救发现号的任务。在前往木星的旅途中，三名美国科学家一直处於冬眠状态中。不过，负责主要任务的佛洛伊德博士被提早解除冬眠状态，因为在接近木星前，突然出现中国制造的太空船钱学森号（以中国航天奠基人钱学森命名）。中国人直接在太空站组装太空船，令美俄等国家均蒙在鼓里。钱学森号越过发现号降落在木星卫星木卫二上，美俄两国对中国急速发展的太空技术感到惊讶，於是一直追踪钱学森号的位置，直至钱学森号消失在木星的背日面。当钱学森号再次出现在向日面时，里奥诺夫号收到的却是钱学森号最後发出的求救讯息，钱学森号降落在木卫二的大渠道旁，但原来木星已经孕育出生物，一种向光植物从大渠道中爬出，缓缓迈向发出强光的钱学森号，结果整架太空船被破坏，钱学森号上的人员全部罹难。虽然面对钱学森号事件，里奥诺夫号仍需继续任务[里奥诺夫号终於来到伊奥的轨道上，发现号已经逐渐坠落到伊奥上，拯救发现号越来越急不容缓，美俄两国的科学家合作，进入发现号修理发现号的系统，使发现号能重新启动。尽管发现号能发动，但他们面对的最大问题是超级电脑哈儿，在第一次木星任务中，哈儿杀死了三名处於冬眠状态的太空人及在太空中执行任务的普尔，又拒绝让鲍曼进入太空船内，但哈儿的主设计师钱德拉博士坚持哈儿只是自我形识太强，导致程式冲突，只要重新设定便能解决问题，美国太空总署批准重新启动哈儿，佛洛伊德博士对此并不放心，於是将断路器安装在哈儿上，以防万一。在数百年後，木星成为了另一个太阳，木星的卫星上亦开始孕育出智人生命体。
