Der Psychologen Dr. Chris Kelvin (George Clooney) wird - ohne genauere Gründe zu erfahren - auf eine Forschungsstation im Orbit des Planeten Solaris gerufen. Dort herrscht das Chaos: Sein Freund Gibarian (Ulrich Tukur), der ihn um Hilfe bat, hat sich das Leben genommen, ein weiteres Besatzungsmitglied ist tot und die beiden verbleibenden Astronauten (Jeremy Davies, Viola Davis) scheinen völlig neben sich zu stehen. Kelvin will dem Phänomen auf die Spur kommen, verfällt ihm aber selbst innerhalb kürzester Zeit. Erst träumt er von seiner verstorbenen Frau Rheya (Natascha McElhone), die wenig später zur scheinbaren Realität wird und in der Raumstation auftaucht. Es wird klar, dass sie nicht real, sondern lediglich eine Reproduktion ist, die von dem Bewusstsein des Planeten Solaris erschaffen wurde. Mehr noch als bei seinen beiden Leidensgenossen vermischen sich bei Kelvin Realität und Traum...