Solaris est une planète mystérieuse qu'étudie une station orbitale. D'étranges phénomènes s'y sont produits. Un physicien s'est donné la mort, et deux autres sont devenus fous. Kris Kelvin, un scientifique spécialisé en psychologie, y est envoyé en mission. À peine arrivé, il croit sentir une forme de vie non humaine à bord de la station. Une femme lui apparaît, qui devient sa maîtresse. Elle n'est que le double de sa propre femme, qui s'est suicidée quelques années plus tôt, par sa faute. Elle disparaît ou surgit au gré de ses désirs. Il comprend que la planète Solaris fonctionne comme une mémoire affective, qui matérialise les pulsions de ceux qui l'approchent…