Wanneer de bemanningsleden van een hypermodern ruimtestation plots te maken krijgen met allerlei onverklaarbare verschijnselen, wordt psycholoog Chris Kelvin gestuurd om de boel te onderzoeken. Sinds de crew de mysterieuze planeet Solaris van nabij bestudeert, hebben de ruimtevaarders zwaar te lijden onder angstpsychoses, depressies en slaapstoornissen. Kelvin krijgt de opdracht uit te zoeken in welke mate dit hun dagtaken beïnvloedt en te bepalen of de missie verder gezet kan worden. Bij zijn aankomst op het ruimtestation ontdekt hij dat twee bemanningsleden al zijn overleden. Bovendien wordt hij zelf onmiddellijk geconfronteerd met de impact van de vreemde gebeurtenissen: zijn overleden echtgenote verschijnt plots aan boord van het ruimteschip.