Прибытие главного героя романа — доктора Криса Кельвина — на борт исследовательской станции Солярис на научное дежурство происходит в период кризиса соляристики и угасания интереса к изучению планеты.
Выйдя по прилёте из шлюза, доктор сразу обнаруживает хаос и запустение. Он ожидал встретить троих обитателей: Гибаряна, Снаута и Сарториуса. Однако несколькими часами ранее доктор Гибарян покончил жизнь самоубийством. Двух других членов экипажа Кельвин находит в состоянии глубокой депрессии, на грани помешательства.
Делов том, что на станции "Солярис" появились существа, которых можно было бы назвать фантомами, если бы они не были, с точки зрения землян, вполне материальны. Единственное объяснение их появления — фантомы созданы океаном Соляриса. Судя по происходящему с Кельвином и редким оговоркам его коллег, фантомы являются точными, как во внешности, так и в поведении, копиями людей (во всяком случае — живых существ), ранее знакомых человеку, причём таких, с которыми связаны острые, травмирующие воспоминания, или материализацией его фантазий, зачастую неприятных или аморальных, которых сам человек стыдится.
Кельвину Океан посылает его девятнадцатилетнюю жену Хари, которая за десять лет до описываемых событий покончила с собой (отравилась) после размолвки с ним.
И Кельвин, и его коллеги пытаются понять, как устроены «фантомы». Исследование тканей фантомов показывает, что они являются точными моделями обычных человеческих тканей, построенными из каких-то неизвестных структур, стабилизированных силовыми полями, очевидно, генерируемыми Океаном. Фантомы при физическом воздействии чувствуют боль, но при повреждениях очень быстро восстанавливаются. Фантом не может ни покончить с собой, ни быть убит; будучи внешне вполне мёртвым, он через короткое время «воскресает» в прежнем виде. Ткани восстанавливаются даже после участия в химических реакциях (кровь Хари восстановилась в пробирке после сжигания кислотой) и по-видимому могут быть уничтожены только аннигиляцией. Но даже после аннигиляции фантом вскоре возвращается. Фантомы (по крайней мере, Хари) ощущают себя «настоящими» людьми, имеют память (со значительными провалами) и чувства, но при этом каким-то образом «привязаны» к человеку, которому явились: они физически не могут долго выносить его отсутствие. Со временем, находясь рядом с человеком, фантом всё более «очеловечивается», приобретает черты, не свойственные оригиналу (точнее, воспоминаниям человека об оригинале) и становится всё более самостоятельным.
В ходе романа Хари сначала начинает догадываться о своей нечеловеческой сущности, а прослушав запись, оставленную Гибаряном для Кельвина, окончательно убеждается в истинном состоянии дел. Тем временем Сарториус находит способ уничтожения фантомов в аннигиляционной камере станции и предлагает ликвидировать фантом Хари. Кельвин, уже воспринимающий фантом как реального человека, горячо возражает, Снаут склоняется к точке зрения Сарториуса. Снаут пытается убедить Кельвина, что их действия нельзя воспринимать через призму человеческих моральных норм, так как сама ситуация уже далеко вышла за пределы морали; Кельвин, не найдя возражений и понимая умом правоту коллеги, не может, тем не менее, согласиться с ним и обдумывает варианты действий, которые позволили бы ему сохранить Хари. В конце концов решение принимает сама Хари: втайне от Кельвина она добровольно соглашается на аннигиляцию.
Когда и после такой убийственной попытки контакта не удалось добиться какой-либо внятной реакции, учёные приходят к выводу, что присутствие людей больше не имеет смысла. Кельвин подаёт рапорт руководству с предложением о прекращении дальнейших экспериментов, предлагая эвакуировать экипаж и вывезти его на Землю. Находясь в состоянии нервного шока после гибели Хари, он даже обдумывает возможность нанести по Океану лучевой удар генераторами антиматерии. Однако позже, когда становится ясно, что новые «фантомы» перестали появляться, это расценивается как некая реакция Океана на эксперимент. Кельвин решает остаться и продолжить попытки установить контакт с Океаном.
По материалам Википедии
