Solaris se déroule dans une époque future de voyage interplanétaire. 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 le mystérieux océan de la planète a commencé à donner vie à des copies précises de personnages provenant 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 retrouve la station spatiale en plein désarroi et les scientifiques au bord de la folie. De mystérieuses créatures 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 lorsqu’il l’a abandonnée.
Kelvin est d’abord horrifié et il commence à réaliser 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 qu’elle n’est 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 d’envoyer dans l’océan des rayons X contenant un enregistrement des impulsions électriques du cerveau de Kelvin. Au début, il ne semble y avoir aucune réaction, mais Kelvin commence à faire des rêves étranges et indescriptibles. Après quelques semaines, une étrange tempête se déclare 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 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 capable de désintégrer le champ de neutrinos qui unit les visiteurs. Une fois l’opération terminée, Rheya drogue Kelvin et se suicide.
Depuis l’étrange tempête océanique, les visiteurs ne reviennent plus. Rheya ne reviendra pas. Snow voit cette expérience comme une porte d’accès à la communication avec l’océan. Ils préparent un rapport pour la Terre.
Kelvin est plongé dans la dépression et Snow a peur de se suicider. Kelvin envisage de retourner sur Terre, mais peu à peu ses idées changent. Il sort seul sur l’océan et communie avec la créature géante. Il se rend compte qu’il restera sur la station spatiale et étudiera l’océan de Solaris car c’est la seule façon pour lui de trouver un sens à sa vie.