時代は未来。舞台は、異常な軌道を持ち、有機的な活動を見せる不可思議な海で覆われた惑星ソラリス。主人公ケルビンは惑星上空に浮かぶソラリス・ステーションに到着し、ステーションで発生する奇妙な現象と「海」の謎を探ろうとする。 ステーションに到着した研究員ケルビンは居室にもほどなくして、何年も前に自殺した恋人ハリーが死ぬ直前の年頃の姿で現れる。他の研究員も同様の悩みを持っており、ケルビンら4人の研究員の記憶をもとにして「海」が生み出したコピーだった。ケルビンらはそれぞれ自分の「客」のオリジナルに関して強い情念やトラウマを持っており、「客」との生活で精神が蝕まれる。 ケルビンはオリジナルのハリーの死への自責の念に苦しみながらも、「ハリー」に好意を持つようになる。一方で、ソラリス学の研究史を振り返りながら「海」の真意を探ろうとする。「ハリー」は何者なのか、「海」と「客」の関係とは一体何なのか。生命とは、意識とは、人間以外の理性との接触は可能か、問われていく。