La novela empieza con la llegada a Solaris del psicólogo Kris Kelvin, venido a esclarecer recientes problemas de conducta en la tripulación de la única estación de observación solariana. Pronto se percata de que las cosas no van bien, al notar el desorden y abandono de las instalaciones y la conducta errática de los dos tripulantes que sobreviven. El primero que ve, Snaut, lo recibe con miedo y recelo; y el segundo, Sartorius, rechaza salir de su laboratorio. El que debería ser el tercero, Gibarian, se había suicidado pocos días antes de su llegada. Snaut le advierte de manera críptica sobre "los visitantes". Para entender lo que les pasa a sus compañeros, Kelvin baraja hipótesis como la del envenamiento por infiltración de la tóxica atmósfera del planeta.
Pronto Kris descubre que cosas realmente extrañas suceden en Solaris, al ver a personas que no deberían estar allí. Sin mucha dilación, aparece su propio visitante: al despertar de su primera noche de sueño, Hari, su mujer muerta por suicidio, aparece junto a él, sin recordar en apariencia nada más que su vida con Kelvin. Éste, presa del pánico, la guía a un cohete, lo lanza y lo pone en órbita. Sin embargo, Hari regresa en poco tiempo, sin memoria de lo ocurrido. Kris nota que su "visitante" no se ve capaz de estar físicamente lejos de él y, cuando se le separa, ella, presa de un pánico inexplicable, adquiere una fuerza sobrehumana y rompe cualquier obstáculo físico que los separe.
Kris pasa rápidamente del pánico al estupor y del estupor a la resignación al ver cómo la falsa Hari se torna cada vez más humana, a pesar de ser una copia, y sin demasiada dificultad vuelve a enamorarse de ella. Sin embargo, ésta pronto se percata de quién es realmente, y de quién no es, y trata de suicidarse de nuevo, pero falla, y se revela así que las creaciones solarianas son prácticamente indestructibles.
Una vez que Kris ha visto lo que sucede, Snaut y Sartorius están más dispuestos a hablar, puesto que al principio pensaban que quizá los tomaría por locos. Tratan en vano de hallar una explicación de lo que sucede, aunque ciertas cosas se aclaran: lo ocurrido parece ser respuesta a sus intentos de ser más proactivos en su exploración, al utilizar radiación intensa para intentar explorar el interior del océano. La respuesta demuestra que Solaris sí está vivo (se implica que había quienes dudaban que fuese así), y sí es "consciente" de la presencia humana. Los visitantes provienen del subconsciente de cada cual, lo que demuestra que Solaris los lee como un libro abierto. Lo que no saben es qué quiere decirles, o incluso si el concepto de "contacto" es siquiera aplicable entre dos formas de vida tan diferentes.
La novela describe que Solaris era un viejo misterio, al haberse descubierto más de un siglo antes de que Kris naciese, pero que sin embargo mantenía su enigma aún sin descifrar. La ciencia llamada «Solarística» tuvo un inicio, un apogeo y un declive, al ser casi imposible hallarle razón a la conducta de la colosal mente oceánica.
Kris comienza a elaborar la idea de nunca abandonar Solaris para así quedarse con la nueva Hari. Pero ésta no se halla dispuesta a permitir que Kris se sacrifique de tal forma, y se ofrece de voluntaria en los intentos de los otros tripulantes para deshacerse de los visitantes, lo cual al final logran.







