Chris Kelvin perdeu sua esposa, Rheya, em um acidente pelo qual ele se culpa. Psicólogo experiente convocado para investigar uma estação espacial instalada próxima do planeta Solaris, e que perdeu contato com o Planeta Terra, ele sabe apenas que os integrantes estão agindo de maneira muito esquisita. Ao chegar à estação, Kelvin se depara com algumas surpresas: um dos integrantes se suicidou e os outros dois apresentam certa paranoia, o que possivelmente é culpa dos testes que eles realizaram em Solaris.

Mas algo inesperado acaba acontecendo na estação: Kelvin reencontra sua esposa Rheya. Estaria ele sonhando? Solaris afetou de algum modo o psicólogo? Ou será que sua esposa realmente está ali?