O famoso psiquiatra Kris Kelvin (Donatas Banionis) vai à estação espacial Solaris com uma importante missão científica: decidir se deve o trabalho realizado de investigação sobre um misterioso planeta deve continuar. Ao chegar à estação Kelvin já é surpreendido pelo suicídio de um dos integrantes da tripulação, sendo que outros dois, Snaut (Jüri Järvet) e Sartorius (Anatoli Solonitsyn), estão à beira da loucura. Com o tempo o próprio Kelvin passa a se sentir estranho, tendo transes oníricos onde vê sua ex-esposa Hari (Natalya Bondarchuk), falecida há anos.
