Der Psychologe Kris Kelvin wird zum Planeten Solaris geschickt, um mysteriöse Ereignisse auf der dortigen Forschungsstation aufzuklären. Der Planet spiegelt als kollektives Bewusstsein, gleich einem unendlichen Ozean, die Erinnerungen, Ängste und Wünsche der Kosmonauten wider und materialisiert ihre Gedanken.
Kelvin trifft bei seiner Ankunft auf die übrig gebliebenen zwei Mitglieder der ursprünglich 85-köpfigen Besatzung. Die anderen starben aus unerklärlichen Gründen oder brachten sich um. Kelvin selbst begegnet kurz nach seiner Ankunft seiner Frau, die Jahre zuvor Selbstmord begangen hatte und für deren Tod er sich schuldig fühlt. Das Forschungsvorhaben wird für die Besatzung des Raumschiffs zur metaphysischen Reise in die Innenwelt ihrer eigenen Kultur und an die Grenzen des menschlichen Seins.