Психолог Крис Кельвин находится в депрессии и чувствует себя виноватым в смерти жены Рэи. Его друг, находящийся на космической станции, которая вращается вокруг планеты Солярис, посылает сигнал о помощи.
Прибыв на место, доктор выясняет, что часть экипажа покончила жизнь самоубийством, а другие сотрудники исчезли. Двое выживших, Сноу и Гордон, сошли с ума.
Кельвину снится покойная жена. Когда он просыпается, то оказывается, что Рэя жива и лежит рядом с ним в постели. Крис отправляет женщину в спасательную капсулу и запускает ее. Герой начинает понимать, что произошло с экипажем: их посетили призраки из прошлого.
Снова появляется Рэя и на этот раз доктор разрешает ей остаться. Она впадает в депрессию, когда узнает, что является фантомом, и просит Гордон уничтожить ее, как остальных призраков.
Крис с коллегой находят труп Сноу и понимают, что они уже долгое время общаются не с ним, а с другой сущностью в его облике. Кроме того, выясняется, что каждый раз, когда используется устройство для уничтожения призраков, уменьшается запас топлива, что делает невозможным возвращение на Землю всей станции. А планета Солярис тем временем притягивает ее все ближе. Крис и Гордон планируют возвращение на Родину на мини-корабле Афине.
Вернувшись домой, доктор задумывается обо всем, что произошло с ним в космосе. Однажды он случайно режет себе палец. Его рана заживает мгновенно, что помогает ему понять, что на самом деле он не вернулся, а до сих пор находится на исследовательской станции. Кельвин вспоминает, что Гордон на Афине вернулась на Землю, а он решил остаться. В конце концов космическая станция падает на Солярис. Герой снова встречает свою жену, и Рэя говорит мужу, что жизнь и смерть для них больше не важны, потому что теперь они могут жить вместе вечно.
