Depuis très longtemps déjà, les chercheurs scientifiques tentent, en vain, de percer le mystère de Solaris, la planète dont la surface est l'Océan. Dans sa demeure, Kris Kelvin, savant psychologue, écoute à nouveau le témoignage de l'ancien pilote Burton – qui se souvient avoir vu des arbres et un enfant à la taille gigantesque surgir des vagues – tout en regardant le film de la commission d'enquête. Kelvin part en expédition sur la station orbitale de Solaris rejoindre les trois autres cosmonautes déjà sur place, avec la conviction de devoir mettre un terme aux recherches. Le désordre règne à bord du laboratoire spatial. Kelvin rencontre le chercheur Snaut, au comportement énigmatique. Il apprend que Gibarian, l'un de ses plus proches amis, s'est suicidé... Sur un enregistrement audio-visuel adressé à Kelvin, Gibarian explique que des problèmes de conscience l'ont poussé au suicide. Snaut et Sartorius, un autre savant, s'opposent dans leurs travaux, sur la nature des solutions à apporter aux énigmes de Solaris et à ces créatures qui apparaissent occasionnellement à l'intérieur du vaisseau. Kris Kelvin aperçoit un jour Ariane, la femme qu'il a aimée, et qui, à la suite d'une querelle, a choisi de se suicider. Snaut tente d'expliquer à Kelvin les secrets de Solaris. À la suite d'expériences entreprises sur sa surface, l'Océan Solaris s'est mis à réagir comme un cerveau, répondant au rayonnement humain par un autre rayonnement. Depuis ce jour, se sont matérialisées ces créatures chimiques à l'aspect humain, îlots de mémoire des trois scientifiques, puis de Kelvin. Ariane est l'une d'elles. Kelvin en tombe amoureux. Pris de panique, il expédie dans une fusée la première image de son amie... mais une seconde réapparaît. Kelvin réapprend l'amour, et bientôt, la souffrance, Leur relation repose sur une différence scientifique que Kelvin accepte, puis finit par repousser, fortement ébranlé. Ariane met un terme à leur déchirement en se suicidant. Convaincu de son échec, Kris revient sur Terre. Il retrouve son père et son petit univers, lequel continue de dériver sur l'Océan du Temps et de l'Espace.