Космический корабль "Алексей Леонов" с советско-американским экипажем на борту отправляется на Юпитер, чтобы разгадать тайну пропавшего на орбите корабля-первопроходца "Дискавери", запущенного в космос 10 лет назад.

Достигнув планеты, команда отправляет на ее спутник исследовательский зонд, который фиксирует движение загадочной и весьма крупной формы жизни под покрывающим планету слоем льда. На орбите другого спутника Юпитера обнаруживают обломки "Дискавери".

Членам экипажа удается вернуть корабль в рабочее состояние и активировать выведенный из строя компьютерный мозг HAL-9000, явившийся одной из причин провала первой экспедиции.

Между тем, напряжение в отношениях между Советским Союзом и США обостряется. Американские астронавты получают приказ прекратить совместные исследования и покинуть корабль, переместившись на "Дискавери". Однако шокирующее открытие, совершенное исследователями на борту "Леонова", вынуждает экипажи отбросить разногласия и действовать сообща в попытке спасти свои жизни...