L'histoire se déroule à bord d'une station spatiale en orbite autour de la mystérieuse planète Solaris. La planète est entièrement recouverte d'un océan qui semble posséder des propriétés étranges et inexplicables. Des phénomènes étranges commencent à se produire sur la station spatiale, où les membres de l'équipage sont confrontés à des visions de personnes de leur passé, des personnes qui ne devraient pas être là. Le protagoniste, le cosmonaute Kris Kelvin (joué par Donatas Banionis), arrive sur la station pour découvrir que son collègue scientifique est décédé dans des circonstances mystérieuses. À mesure que Kelvin enquête, il se rend compte que les manifestations de personnes du passé sont liées aux souvenirs et aux émotions de l'équipage. Ces manifestations sont le produit de l'océan de Solaris, qui semble capable de matérialiser les pensées et les souvenirs profonds des individus.