Uma estação espacial, Solaris, orbita o planeta homônimo, estudado há décadas por cientistas especializados, entre eles Kris Kelvin, que decide habitar a estação em busca de algum meio de comunicação entre o misterioso planeta e a Terra. No entanto, pouco após sua chegada, seu grupo descarrega um bombardeio de raios gama de alta potência no oceano do planeta. A resposta deste é testar a mente dos cientistas, fazendo-os confrontarem suas memórias e pensamentos mais dolorosos. Kelvin é obrigado a lidar com a memória de sua amada morta e a culpa que carrega por seu suicídio.

Solaris é um planeta distante, que vem sendo constantemente estudado há décadas, e cujo mistério sobre seu oceano ainda não foi esclarecido, nem seus efeitos. Por falta de interesse e resultados, a solarística está morrendo; aliado a isto, os membros na estação espacial que orbita o planeta estão sendo afetados pelo oceano. Por conta disto, o psicólogo Kelvin - conhecido de um dos doutores da solarística e amigo de um dos tripulantes - é mandado para a estação para averiguar a situação. Lá, ele percebe aos poucos que Solaris é, mais que um planeta, um espelho da alma.