На орбитальной станции, вращающейся вокруг загадочной планеты Солярис, прибывает психолог Крис Кельвин. Его задача — разобраться, какие таинственные явления происходят среди принадлежащих к экспедиции учёных. По прибытии он обнаруживает, что руководитель экспедиции и его давний друг погибли при загадочных обстоятельствах. Но это ещё не всё: из-за странной природы планеты на станцию начинают проникать символы прошлого — реальные, хотя нематериальные визитёры, напоминающие любимых людей. Постепенно Кельвин сталкивается с вопросами памяти, вины и реальности: что значит любить, что значит терять, и можно ли отличить созданное творением внешней силы от подлинной жизни. В тоне фильма — медленное, холодное созерцание, где каждый кадр наполнен тягостной паузой и смутными голосами. Сама сила Соляриса действует не через силу и оружие, а через внутренний мир человека: её проявления заставляют персонажей пересмотреть свои воспоминания, сомневаться в своих решениях и сталкиваться с теми аспектами себя, которые они предпочли забыть. В результате Кельвин вынужден переосмыслить понятие реальности и человечности, столкнувшись с собственной сущностью, скрытой за стенами станции и поверхностной суетой исследования.
В фильме с целью сделать имена более удобно звучащими для англоязычной аудитории были изменены оригинальные имена героев: Снаут в фильме стал Сноу, Хари превратилась в Рею, Сарториус стал чернокожей женщиной по имени Гордон, а имя Гибаряна звучит как Джибариан.
По словам Джорджа Клуни, поначалу Стивен Содерберг собирался снимать в главной роли другого актёра. Клуни написал ему письмо с просьбой о том, чтобы взяли его, а обратиться к режиссёру письменно он решил потому, что отказ в письменном же виде был бы менее, на его взгляд, обидным. По счастью, актёр, которого Содерберг намеревался снимать, сам отказался от роли. Это был Дэниэл Дэй-Льюис.
Во время эротических сцен на съёмочной площадке оставались только занятые в них актёры, то есть Джордж Клуни и Наташа Макэлхоун, и сам Стивен Содерберг с ручной камерой.