В будущем — очень далёком от нас «космическом будущем» человечества — послышатся эти прощальные слова: «Кельвин, ты летишь. Всего хорошего!» Психолог Кельвин в неимоверном отдалении от Земли десантируется с космолёта на припланетную станцию — это огромный серебристый кит, парящий над поверхностью планеты Солярис. Станция кажется пустой, она странно замусорена, Кельвина никто не встречает, а первый же человек, увидевший психолога, пугается чуть ли не до смерти. Человека зовут Снаут, он заместитель начальника станции Гибаряна. Он хрипит с отвращением: «Я тебя не знаю, не знаю. Чего ты хочешь?» — хотя станция была извещена о прибытии Кельвина. А потом, опомнившись, говорит, что Гибарян, друг и коллега Кельвина, покончил с собой и что новоприбывший не должен ничего делать и не должен нападать, если увидит кого-то ещё, кроме него, Снаута, и третьего члена экипажа, физика Сарториуса. На вопрос: «Кого я могу увидеть?!» — Снаут, в сущности, не отвечает. И очень скоро Кельвин встречает в коридоре огромную голую негритянку, «чудовищную Афродиту» с огромными грудями и слоновьим задом. Её не может быть на станции, это похоже на галлюцинацию. Мало того, когда новоприбывший приходит к Сарториусу, физик не пускает его в свою каюту — стоит, заслоняя спиною дверь, а там слышна беготня и смех ребёнка, потом дверь начинают дёргать, и Сарториус кричит неистовым фальцетом: «Я сейчас вернусь! Не надо! Не надо!» И кульминация бреда — Кельвин входит в холодильную камеру, чтобы увидеть тело Гибаряна, и обнаруживает рядом с мертвецом ту самую негритянку — живую и тёплую, несмотря на ледяной холод. Ещё одна поразительная деталь: её босые ступни не стёрты и не деформированы ходьбой, кожа их тонка, как у младенца.

Кельвин решает было, что сошёл с ума, но ведь он — психолог и знает, как в этом убедиться. Устраивает себе проверку и резюмирует: «Я не сошёл с ума. Последняя надежда исчезла».

Ночью он просыпается и видит рядом с собою Хэри, свою жену, погибшую десять лет назад, убившую себя из-за него, Кельвина. Живую, во плоти и крови, и совершенно спокойную — словно они расстались вчера. На ней памятное ему платье, обыкновенное платье, но почему-то без застёжки-молнии на спине, и ступни у неё, как у той негритянки, — младенческие. Кажется, она принимает все как должное и всем довольна, и хочет только одного: ни на час, ни на минуту не расставаться с Кельвином. Но ему надо уйти, чтобы как-то разобраться в ситуации. Он пытается связать Хэри — обнаруживается, что она сильна не по-человечески... Кельвин в ужасе. Он заманивает фантом жены в одноместную ракету и отправляет на околопланетную орбиту. Казалось бы, с этим бредом покончено, однако Снаут предупреждает Кельвина, что через два-три часа «гость» вернётся, и рассказывает наконец, что, по его мнению, происходит. Неотвязных «гостей» насылает на людей Океан планеты Солярис.

Океан этот уже больше сотни лет занимает умы учёных. Он состоит не из воды, а из протоплазмы, странным и чудовищным образом перемещающейся, вспучивающейся и создающей гигантские — бессмысленные на вид — сооружения, в недрах которых время изменяет своё течение. Их окрестили «городревами», «долгунами», «ми моидами», «симметриадами», но никто не знал, отчего и зачем они создаются. У этого живого Океана, кажется, есть единственная функция: он поддерживает оптимальную орбиту планеты вокруг двойного Солнца. И вот сейчас, после исследовательского удара жёстким излучением, он стал подсылать к людям фантомов, извлекая их облик из глубин человеческого подсознания. Кельвину ещё повезло: ему «подарена» женщина, которую он некогда любил, а другим подсылаются их тайные эротические желания, даже не реализованные. «Такие ситуации... — говорит Снаут, — о которых можно только подумать, и то в минуту опьянения, падения, безумия... И слово становится плотью». Так полагает Снаут. Ещё он говорит, что «гость» чаще всего появляется, пока человек спит и сознание его выключено. В это время области мозга, ответственные за память, более доступны неведомым лучам Океана.

Учёные могли бы покинуть станцию, но Кельвин хочет остаться. Он думает: «Пожалуй, об Океане мы не узнаем ничего, но может быть, о себе...» Следующей же ночью Хэри появляется снова, и, как в былые времена, они становятся любовниками. А утром Кельвин видит, что в каюте лежат два «совершенно одинаковые белые платья с красными пуговицами» — оба разрезанные по шву. За этим шоком следует другой: Хэри случайно остаётся взаперти и с нечеловеческой силой, раня себя, выламывает дверь. Потрясённый Кельвин видит, как изувеченные её руки почти мгновенно заживают. Сама Хэри тоже в ужасе, ведь она ощущает себя обычным, нормальным человеком...

Пытаясь понять, как «устроена» Хэри, Кельвин берет у неё кровь для анализа, но под электронным микроскопом видно, что красные тельца состоят не из атомов, а как бы из ничего — по-видимому, из нейтрино. Однако «нейтринные молекулы» не могут существовать вне какого-то особого поля... Физик Сарториус принимает эту гипотезу и берётся построить аннигилятор нейтринных молекул, чтобы уничтожать «гостей». Но Кельвин, оказывается, этого не хочет. Он уже оправился от шока и любит вновь обретённую жену — кем бы она ни была. Со своей стороны, Хэри начинает понимать ситуацию, весь её трагизм. Ночью, пока Кельвин спит, она включает магнитофон, оставленный Гибаряном для Кельвина, прослушивает рассказ Гибаряна о «гостях» и, узнав правду, пытается покончить с собой. Выпивает жидкий кислород. Кельвин видит её агонию, мучительную кровавую рвоту, но... Излучение Океана восстанавливает нейтринную плоть за считанные минуты. Ожившая Хэри в отчаянии — теперь она знает, что мучит Кельвина, «А что орудие пытки может желать добра и любить, этого я представить себе не могла», — кричит она. Кельвин в ответ говорит, что любит её, именно её, а не ту, земную женщину, которая убила себя из любви к нему. Это правда, и он в полной растерянности: ведь ему предстоит возвращение на Землю, а любимая женщина может существовать только здесь, в таинственном поле излучения Океана, Он ни на что не может решиться, однако соглашается на предложение Сарториуса записать токи своего мозга и передать их в виде пучка рентгеновского излучения Океану. Может быть, прочитав это послание, жидкое чудовище перестанет подсылать к людям своих фантомов... Луч бьёт в плазму, и как будто ничего не происходит, только у Кельвина начинаются мучительные сновидения, в которых его словно бы изучают, то разбирая на атомы, то составляя вновь. «Ужас, пережитый в них, нельзя сравнить ни с чем на свете», — говорит он. Так проходит несколько недель, Хэри и Кельвин привязываются друг к другу все сильнее, а Сарториус тем временем проводит какие-то страшные эксперименты, пытаясь избавиться от «гостей». Снаут говорит о нем: «Наш Фауст наоборот ищет средство от бессмертия». Наконец в одну из ночей Хэри даёт Кельвину снотворное и исчезает. Сарториус втайне от Кельвина все-таки создал аннигилятор фантомов, и Хэри из великой любви к Кельвину решилась на гибель — как когда-то, давным-давно... Ушла в небытие, ушла навсегда, ибо нашествие «гостей» кончилось.

Кельвин в горе. Он мечтает отомстить мыслящей протоплазме, выжечь её дотла, но Снауту удаётся успокоить товарища. Он говорит, что Океан не хотел ничего дурного, напротив — стремился делать людям подарки, дарить им самое дорогое, то, что глубже всего запрятано в памяти. Океан не мог знать, каково истинное значение этой памяти... Кельвин принимает эту мысль и успокаивается — как будто. И в последней сцене он сидит на берегу Океана, ощущая его «исполинское присутствие, мощное, неумолимое молчание», и прощает ему все: «Я ничего не знал, но по-прежнему верил, что ещё не окончилось время жестоких чудес».