Действие происходит спустя девять лет после событий предыдущей картины. Космический корабль «Алексей Леонов» с советско-американским экипажем на борту отправляется на Юпитер, чтобы разгадать тайну оставленного на орбите корабля-первопроходца «Дискавери». Для этого командиру и членам звездного экипажа предстоит вновь активировать выведенный из строя компьютерный мозг HAL-9000, который явился одной из причин провала первой экспедиции.

По официальным данным «Аполлон 17» был последней лунной экспедицией с участием людей. Почему уже 35 лет никто не летает на Луну? Ходили слухи, что была ещё одна миссия, и с ней что-то случилось, но вся информация об этом засекречена. Не было никаких доказательств, пока не появились эти сенсационные материалы.

Командир Адамс и его экипаж должны выяснить судьбу колонии землян в системе Альтаир IV, переставшей выходить на связь несколько лет назад. После года путешествия в гиперпространстве корабль Объединенных Планет садится на планету, где они находят только двух живых человек — филолога Морбиуса и его дочь Альтаиру. Все остальные колонисты погибли по неизвестной причине. Морбиус настаивает, чтобы астронавты немедленно покинули планету, ибо он не может гарантировать их безопасность, но командир

Кризис среднего возраста, случившийся у адмирала Кирка, казался ему вещью первостепенной важности. Но только до тех пор, пока он не получил сообщение с планеты Сеты Альфа 5 о том, что объявился его давний враг, жаждущий мщения. Хан, генетически созданный сверхчеловек, с сильно развитыми интеллектом, физической силой и амбициями, уже встречался один раз команде «Энтерпрайза », но тогда его и его людей, решивших захватить корабль, остановили и в наказание оставили на первой попавшейся пригодной

В 1958 году четверых отважных пилотов, которые должны были первыми отправиться в космос, в результате интриг отстранили от полетов навсегда. Сорок лет о них никто не вспоминал, но вот, получено сообщение: старый советский спутник связи может рухнуть на землю. Грозит катастрофа невиданных масштабов. Технология спутника настолько устарела, что разобраться здесь могут только четверо астронавтов-отставников.

После завершения миссии в космосе корабль с тремя космонавтами на борту вышел на земную орбиту, чтобы вернуться. Но двигатель дал сбой и командир Джим Пруе, ученый Клайтон Стоун и пилот Базз Ллойд оказались в безвыходном положении в открытом космосе. Чарлз Кейт, шеф космической программы и старший космонавт Тед Догерти составляют невероятный план спасения, а весь мир с волнением ждет...

На космической станции самоотверженные учёные из последних сил пытаются сохранить последние образцы земной флоры. Но это практически невозможно.

Из глубин космоса, через Клингонский сектор к Земле приближается неопознанный объект просто гигантских размеров с неясными, но, возможно, враждебными намерениями, и Энтерпрайз оказывается единственным кораблем, способным успеть вовремя добраться до этого объекта для его исследования и ликвидации потенциальной опасности для Земли.

Фрагментарная история американской астронавтики с 1947 по 1963 год, когда после долгих и трагических испытаний американцы, наконец, вышли в космос.