Solaris est une planète mystérieuse qu’étudie une station orbitale. D’étranges phénomènes s’y sont produits. Un physicien s’est donné la mort, et deux autres sont devenus fous. Kris Kelvin, un scientifique spécialisé en psychologie, y est envoyé en mission. À peine arrivé, il croit sentir une forme de vie non humaine à bord de la station. Une femme lui apparaît, qui devient sa maîtresse. Elle n’est que le double de sa propre femme, qui s’est suicidée quelques années plus tôt, par sa faute. Elle disparaît ou surgit au gré de ses désirs. Il comprend que la planète Solaris fonctionne comme une mémoire affective, qui matérialise les pulsions de ceux qui l’approchent…

Répondant à l'appel de détresse lancé par son ami Giberian, le commandant du Prométhée, une station spatiale gravitant autour de la planète Solaris, le docteur Chris Kelvin décide de se rendre à son bord. Une fois sur place, il découvre que Giberian s'est suicidé et que les deux autres scientifiques présentent des signes aigus de stress et de paranoïa. Chris mène alors des recherches sur le comportement pour le moins étrange des rescapés. Lui-même sera victime d'une force mystérieuse qui le mettra en présence de Rheya, celle qu'il a aimée autrefois et qui a mis fin à ses jours.