Une équipe scientifique débarque sur Solaris, un monde inhabité tournant autour de deux soleils. L'immense océan protoplasmique qui recouvre entièrement la planète reste depuis des siècles un irritant mystère. Dès son arrivée, le Dr Kelvin est intrigué par le comportement du physicien Sartorius et du cybernéticien Snaut, qui semblent terrorisés par la visite d'une femme, Harey; une femme que Kelvin a autrefois aimée et qui s'est suicidée plusieurs années auparavant.