머나먼 저편의 우주, 솔라리스 행성궤도에서 우주의 신비를 파헤치는 임무를 받고 파견된 솔라리스 특수임무팀에 지구와의 교신은 차단되고 미스터리한 사건이 벌어지기 시작한다. 하나둘 대원들은 알 수 없고 힘에 의해 조정된다. 이곳에 파견된 솔라리스 특수 임무팀의 심리학자 크리스 케빈 박사(조지 클루니 분)도 우주의 무한한 신비의 힘에 의해 자기자신이 파괴되는 것을 느끼게 되는데. 자살한 연인 '레아'에 대한 죄책감과 그리움에서 헤어나지 못한 채 살아가던 정신과 의사 '켈빈'은 우주선에 탑승했던 친구의 긴급 도움 요청을 받는다. 우주선에 도착한 그는 대원들이 대부분 사망한 참혹한 현실과 부닥친다. 그러나 살아남은 사람들도 이유에 대해서는 입을 다문다. 우주선에서의 첫날 밤, 잠든 켈빈은 레아의 꿈을 꾼다. 지하철에서의 첫 만남, 까페에서의 우연한 재회, 엘리베이터에서 멈칫거리다 포개진 두 손, 처음 그녀와 나누던 사랑의 기억... 너무나 생생한 느낌에 깜짝 놀라 눈을 뜬 켈빈은 자신의 곁에 누워있는 레아를 발견한다. 그러나 갑자기 나타난 그녀의 존재를 믿지 못하는 켈빈은 레아를 우주 밖으로 떠나보낸다. 얼마 후 혼란스러워 하는 켈빈 앞에 레아가 다시 찾아온다. 켈빈은 믿을 수 없는 현실에 당황하지만, 그의 눈에 보이는 그녀는 만지고 또 느낄 수 있는 레아 그 자체다. 이에 켈빈은 자신의 전부를 포기할 각오를 하고 그녀와의 영원한 사랑을 꿈꾼다. 그러나 우주선의 고든 박사는 외부 침략을 막으려는 솔라리스 행성의 현혹에 불과하다며 레아를 떠나보내라고 냉정하게 얘기하고, 레아도 자신의 존재를 확신할 수 없는데…