Une équipe scientifique débarque sur Solaris, une planète océan inhabitée qui tourne autour de deux soleils. Là, 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, que Kelvin a tant aimée et qui s'est suicidée plusieurs années auparavant. De découverte en découverte, les scientifiques s'apercevront que c'est l'océan, une entité intelligente et télépathe, qui essaie d'entrer en contact avec eux en matérialisant leurs fantasmes les plus secrets.