Solaris se déroule dans une époque future de voyages interplanétaires. Kris Kelvin est un solariste, un scientifique qui étudie la planète Solaris, et sa spécialité est la psychologie. Kelvin se rend à Solaris pour découvrir que l’océan mystérieux de la planète a commencé à donner vie à des répliques précises de figures issues des recoins les plus profonds de l’esprit des scientifiques.
Au début du roman, Kelvin arrive à la station Solaris pour étudier le vaste océan mystérieux et peut-être sensible qui recouvre la planète Solaris. Il trouve la station spatiale en plein désarroi et les scientifiques au bord de la folie. Des créatures mystérieuses hantent le vaisseau spatial. Ils ont l’air humains, mais ils ont des capacités surhumaines. Bientôt, Kelvin reçoit la visite de son propre « fantôme », une copie exacte de Rheya, la fille qu’il aimait autrefois, qui s’est suicidée quand il l’a quittée.
Kelvin est d’abord horrifié, et il commence à se rendre compte que pour une raison inconnue, par un mécanisme inconnu, l’océan de Solaris crée ces visiteurs. Rheya elle-même ne sait pas qu’elle n’est pas réelle. Après avoir éjecté une version de Rheya dans l’espace, Kelvin décide de rester et de vivre avec cette imitation de Rheya, une femme qu’il aime toujours profondément.
Lorsque Rheya découvre qu’elle n’est qu’une copie de la « vraie » Rheya, et pas vraiment humaine, elle essaie de se suicider, mais son corps se régénère. Les autres scientifiques veulent trouver un moyen de détruire définitivement les visiteurs, qui diffèrent des êtres humains au niveau subatomique. Kelvin jure secrètement d’essayer de sauver Rheya à tout prix.
En fin de compte, les scientifiques décident de transmettre des rayons X transportant un enregistrement des impulsions électriques dans le cerveau de Kelvin dans l’océan. Au début, il ne semble pas y avoir de réaction, mais Kelvin commence à faire des rêves étranges et indescriptibles. Après quelques semaines, il y a une étrange tempête dans l’océan.
Kelvin et Rheya vivent ensemble dans un monde fantastique, planifiant leur retour sur Terre et leur vie ensemble, mais ils savent tous les deux dans leur cœur que ce n’est qu’un rêve. Secrètement, Rheya complote avec Snow pour organiser son suicide. Sartorius travaille sur une machine pour désintégrer le champ de neutrinos qui maintient les visiteurs ensemble. Une fois terminé, Rheya drogue Kelvin et se tue.
Depuis l’étrange tempête océanique, les visiteurs ne reviennent plus. Rheya ne reviendra pas. Snow voit l’expérience comme une porte ouverte à la communication avec l’océan. Ils préparent un rapport pour la Terre.
Kelvin sombre dans la dépression et Snow a peur de se suicider. Kelvin prévoit de retourner sur Terre, mais lentement ses idées changent. Il sort seul sur l’océan et communie avec la créature géante. Il se rend compte qu’il va rester sur la station spatiale et étudier l’océan de Solaris car c’est le seul moyen pour lui de trouver un sens à sa vie.