На орбите Юпитера открыт большой чёрный монолит, аналогичный изображённым в «Космической одиссее 2001 года». Отдалённые снимки не позволяют изучить его природу, и Максиму Брайловскому приходится направиться вплотную к объекту, повторяя ошибку Боумэна. Когда Максим приближается к монолиту, из последнего вырывается всплеск энергии, по всей видимости, уничтожающий капсулу Брайловского. Следует учитывать, что данный эпизод введён в фильме, в книге же Максим остаётся в живых в финале.

Затем следуют сцены с участием Дэйва Боумэна, превращённого четвёртым монолитом в «дитя звёзд». Одно из его воплощений появляется на Земле, вступая в контакт со старыми знакомыми. Например, он обращается к своей вдове с экрана телевизора. Затем его воплощение предстаёт перед Флойдом на «Дискавери», предупреждая о необходимости покинуть орбиту Юпитера в течение двух дней. Флойд интересуется, что может случиться в противном случае, на что дух его коллеги отвечает «Что-то прекрасное».

Между тем, происходит эскалация напряжения в отношениях Советского Союза и Соединённых Штатов. Американским астронавтам приказано оставить борт корабля «Алексей Леонов» как «вражескую территорию» и перейти на «Дискавери». Однако вскоре случается событие, заставляющее советских и американских космонавтов забыть былые невзгоды: телескопы на «Леонове» устанавливают, что ранее появившееся Большое чёрное пятно в атмосфере Юпитера на самом деле является не ураганом, а скоплением монолитов, количество которых увеличивается в геометрической прогрессии.

Оказывается, что ни «Алексей Леонов», ни «Дискавери» не смогут доставить свои экипажи на Землю в одиночку, если они будут запущены в спешном порядке, поскольку стартовое окно открывается лишь через несколько дней. Поэтому экипаж советского корабля и Флойд создают план спасения, в котором американскому аппарату предстоит сыграть роль стартового ускорителя «Леонова», на который планируется эвакуировать обе команды. Однако в таком случае «Дискавери» и HAL 9000, управляющий им, останутся скованными на орбите Ио, не имея достаточно горючего для дальнейшего перелёта. Доктору Чандре предстоит убедить HAL в опасности, нависшей над людьми на борту обоих кораблей, и предотвратить поведение компьютера, наблюдавшееся в 2001. В конце концов HAL соглашается пожертвовать собой ради спасения людей на «Леонове».

Покидая орбиту Юпитера, экипаж «Леонова» наблюдает, как монолиты опоясывают всю планету. В конечном итоге, они увеличивают плотность планеты до такой степени, что поднявшиеся давление и температура делают возможным начало процесса термоядерного синтеза на планете-гиганте. Юпитер превращается в малую звезду. Фильм представляет фотографии известных мест Земли с двумя солнцами на небе. Как следует из монолога Флойда, это чудесное событие заставляет лидеров двух враждующих в холодной войне сверхдержав — СССР и США — прекратить противостояние и заключить мир.

Когда «Леонов» направляется к Земле, HAL приказано передавать сообщение следующего содержания: «Все эти миры, кроме Европы, принадлежат вам. Не приближайтесь сюда. Пользуйтесь ими вместе. Пользуйтесь ими в мире». В финале картины изображается преобразование Европы из безжизненной ледяной пустыни в цветущие джунгли. В последних кадрах представлен стоящий посреди озера на Европе монолит, ожидающий зачатки разумных форм жизни.