Une station orbitale étudie Solaris, une planète mystérieuse où d'étranges phénomènes se sont produits.
Le cosmonaute Kris Kelvin, scientifique spécialisé en psychologie, y est envoyé en mission. Dès son arrivée, il croit sentir une forme de vie non humaine à bord de la station. Une femme lui apparaît, qui devient sa maîtresse. 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...
Cette oeuvre développe une réflexion sur l'homme, ses fantasmes, sa psyché et sa place dans l'univers.