Le roman débute avec l’arrivée du professeur Kris Kelvin à bord de la station d’observation gravitant dans l’atmosphère de Solaris, une station spatiale gigantesque datant de l’âge d’or de la solaristique, mais qui n’héberge plus à présent que trois occupants. Kelvin est un psychologue renommé qui a publié plusieurs articles remarqués sur l’océan protoplasmique. Sa venue sur la station est motivée par un message énigmatique que lui a adressé Gibarian, l’un des scientifiques en poste à bord, qui est un ami de longue date. Dès son arrivée, Kelvin constate que quelque chose ne va pas : les lieux sont dans un état de grand désordre, il découvre que Gibarian s’est suicidé et constate que les deux autres scientifiques présents sur la station, Snaut et Sartorius, manifestent des troubles psychologiques inquiétants. Lui-même pense voir sa raison vaciller lorsqu’il voit apparaître, à son réveil, sa femme Harey, qui s’était suicidée à cause de lui dix ans auparavant ! Il finit par comprendre que les deux autres occupants de la station sont, comme lui, visités par des créatures issues de leur mémoire ou bien enfouies dans leur inconscient, ce qui explique leur comportement étrange. Ces « visiteurs » inhumains ou, mieux, « anhumains », sont des « simulacres », des créations dont l’Océan protoplasmique et intelligent est allé puiser le modèle dans le cerveau des astronautes. Ces créatures indestructibles (Harey auto-répare ses blessures à vue d’œil) ont commencé à apparaître après une expérience hostile et interdite par une convention que les trois scientifiques ont réalisée dans une ultime tentative pour établir un contact avec la créature (un bombardement massif de rayons X). Kelvin est effrayé et troublé par la présence de la pseudo-Harey, qui ignore sa véritable nature mais sait ne pas être la vraie Harey qu'elle jalouse. Kris est en proie à un dilemme : tenter de se débarrasser en vain d’une femme artificiellement créée par l’Océan à partir de ses propres souvenirs, désirs, émotions, rêves (et aussi culpabilité), ou bien céder — comme apparemment ses compagnons d’infortune — à la tentation de vivre (éternellement ?) un bonheur auprès d’un simulacre. Il est de plus en plus capté par sa relation avec la pseudo-Harey, au point de vouloir retourner sur Terre avec elle. Ses collègues lui démontrent l’inanité de son idée : elle n’y survivrait pas ; ils préparent, au contraire, un appareil qui permettra de se débarrasser définitivement des « fantômes » créés par Solaris.