별장에 있는 과학자 크리스 켈빈에게 연구소로부터 비디오 테이프가 전달된다. 연구소는 우주 정거장이 보내온 비디오 테이프를 보며 혹성 솔라리스에게 무슨 일이 벌어지고 있다는 결론을 내리고, 그 정거장에 크리스 켈빈을 보내기로 한 것이다. 우주 정거장에 온 켈빈은 여기에서 두 과학자 스나우토와 사리보리우스를 만난다. 물리학자 기바리안은 이미 자살한 후였다. 켈빈은 여기서 혹성 솔라리스의 생각하는 바다에 대해서 듣게 된다. 혹성 솔라리스에 접근하면 여기에 근접한 사람과 솔라리스가 정신작용을 일으켜 상대방의 기억 깊이 잠겨있는 과거를 물질화한다는 것이다. 이후 독극물 주사로 자살한 크리스 켈빈의 아내가 그의 앞에 물질이 되어 나타나는데..

헐리웃 스타의 꿈을 안고 LA에 온 베티는 멀홀랜드 드라이브에서 일어난 자동차 사고로 이름조차 기억하지 못하는 리타를 만나 그녀가 기억을 되찾을 수 있도록 도와준다. 베티의 적극적인 도움으로 단서를 찾아가던 리타는 한 카페의 여종업원 명찰에서 다이안이라는 이름을 보고 어떤 것을 떠올리게 된다. 베티는 이 이름이 분명 리타와 관계된 사람의 이름일 것이라 말하며 다이안이라는 인물을 찾기 시작한다. 마침내 다이안의 집을 찾아간 두 여인. 그러나 그들은 곧 상상을 초월하는 끔찍한 비밀을 발견하게 되는데...

아름다운 아내와 살고 있는 성공한 뮤지션. 그러나 그들의 결혼 생활은 일종의 침체상태다. 너무나 일상적인, 간단한 몇마디만을 주고 받을 뿐인 한 남자와 한 여자. 낯선 이방인의 돌연한 출연이 있기 전까지 그들의 삶엔 변화가 없다. 현관 층계에 놓인 한 장의 봉투, 그 안에 들어있는 의문의 비디오 테잎. 외부의 누군가에 의해 찍혀진 집안 내부. 밤이면 남자는 클럽에서 색소폰을 분다. 그리고 집에 오면 아내와 아무런 느낌도 없이 사랑을 나눈다. 그는 심한 두통에 시달린다. 이어 피범벅이 된 여자의 시체가 나타난다. 살인자가 되어버린 남자. 교도소 독방에 웅크리고 앉은 그는 여전히 두통에 시달리고, 어느 순간 그와 전혀 상관없는 젊은 정비공이 그의 자리를 차지하고 있다. 풀려나온 정비공은 다시 일을 하고, 윤기나는 금발에 그린듯 촉촉한 입술의 여인이 검은색 캐딜락과 함께 나타난다. 그리고 이어서 임상적이고 단색적이지만 숨막히는 첫번째 이야기만큼 화려하면서도 색채적인 두번째 이야기가 시작되는데...

뜻하지 않은 사고로 어린 딸을 잃은 존(도날드 서덜랜드 분)과 로라(줄리 크리스티 분) 부부는 베니스로 이사를 가 아이를 잃은 슬픔을 잊어보려 하지만 주위가 딸의 죽음을 생각하는 것들로 둘러싸여 있음을 깨닫게 된다. 앞을 못 보는 심령술사 여동생을 만나면서 부부의 불길함은 더해지고, 여동생은 죽은 딸의 영혼을 만나게 해주겠다고 약속한다. 로라는 여동생의 생각을 받아들이며 죽은 딸과 교감하려 하고, 자신의 생각을 남편에게도 확신시키려 노력한다. 좀처럼 로라의 생각을 받아들이지 않던 존은 자신의 딸이 입었던 빨간 코트를 입은 누군가의 흐릿한 모습을 보게 되는 환상을 경험하면서 점차 영적 세계에 대한 관심을 갖게 된다.

워싱턴포스트지의 정치부 기자 존은 명석한 두뇌와 특유의 직감으로 종횡무진 사건을 추적하는 촉망받는 기자다. 부와 명성 그리고 사랑스런 아내까지 모든 것을 다 가진 존은 스스로 행복한 남자라고 생각한다. 그러던 어느 날 함께 새집을 마련하러 다니던 아내가 의문의 자동차 사고로 죽게 된다. 실의에 빠진 존은 우연히 그녀가 죽기 직전 한 말을 떠올리게 된다. "당신은 사고 나기 전에 그걸 못 봤죠, 그렇죠? " 존은 아내가 남긴 이 한마디를 떨치지 못하고 그녀의 유품을 정리하던 존은 병원에서 혼수상태이던 그녀가 그린 이상한 그림을 발견한다. 나방모양의 형상을 한 귀신같은 것을 그려놓은 그녀의 스케치북을 본 존은 혼란에 빠진다. 그리고 2년 후, 존은 아내의 죽음, 이상한 그림과 관련한 사건과 다시 만나게 된다.

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…