Résumé détaillé du film

Dans un futur indéterminé mais proche, Chris Kelvin (George Clooney) est un psychologue menant une vie sans relief. Alors qu'il se blesse au doigt en cuisinant, deux employés de la DBA (l'agence qui a remplacé la NASA) lui apportent un message vidéo d'un de ses amis, Gibarian (Ulrich Tukur). Celui-ci, parti en observateur dans la station Prometheus orbitant autour de la planète-océan Solaris, lui lance un appel au secours. Mais il reste mystérieux quant à la teneur de ses problèmes, annonçant : « J'imagine que la solution la plus évidente consisterait à partir mais aucun d'entre-nous n'en a envie. » Dans la mesure où il s’agit du dernier message de l'équipage à être parvenu sur Terre, les autorités fondent beaucoup d'espoir dans l'envoi de Chris, d'autant plus qu'une équipe de secours a déjà été envoyée sur la station et n'a plus donné de nouvelles depuis.

Le psychologue se rend donc à son tour sur la station. À son arrivée, il est confronté à divers incidents inquiétants, des traces de sangs sur les murs et le sol, la découverte de deux cadavres dont celui de Gibarian, des cris et des bruits étranges, la présence incongrue d'un enfant dans les coursives de la station… Chris découvre qu'il ne reste que deux survivants, Snow (Jeremy Davies), l'informaticien du bord, et Gordon (Viola Davis), le médecin de l'équipage. Bien que réagissant différemment, tous deux montrent un esprit torturé par un mal étrange. Chris ne parvient pas à leur soutirer d'informations significatives sur ce qui se passe. Gordon ne fait qu'une description froide et médicale des syndromes qui la frappent (« État dépressif, accompagné d'accès hypomaniaque, insomnie ») mais ne révèle rien de leurs causes. Snow, bien que plus accessible, demeure tout aussi mystérieux : « Je pourrais vous dire ce qu'il se passe mais ça ne vous dirait pas vraiment ce qu'il se passe ». Il informe cependant Chris que Gibarian s'est suicidé et que l'enfant aperçu précédemment est le fils de ce dernier, ce qui est en principe impossible, celui-ci étant resté sur Terre. Snow suggère qu'il ne faut pas s'endormir.

Pourtant Chris se couche et s'endort. Le premier des flashbacks qui émaillent le film a lieu. Il rêve de sa première rencontre avec Rheya (Natascha McElhone). Celle-ci a lieu alors qu'il parle avec Gibarian, qui annonce justement partir pour Solaris. À son réveil, Chris est confronté au mystère de la station lorsque Rheya lui apparaît en chair et en os. Immédiatement, il décide de l'éliminer en la projetant dans l'espace à l'aide d'une capsule de secours. Après cet épisode, il reconnaît devant Snow que ce « visiteur » est sa femme et qu'elle est morte sur Terre.

La seconde nuit de sommeil est l'occasion d'un autre flashback narrant les premiers temps de sa fréquentation amoureuse avec Rheya. Celle-ci y apparaît indécise dans la suite de sa relation avec Chris et, par ailleurs, fragile psychologiquement, notamment lorsqu'elle raconte sa vie avec sa mère dont elle dit qu'elle était « cliniquement folle. » À son réveil, Chris découvre de nouveau Rheya à ses côtés et lui avoue : « Je ne sais pas comment tu es venue. » Elle répond : « Je ne suis pas celle dont je me souviens. » Les souvenirs, sous forme d'un autre flashback, remontent à l'esprit de la jeune femme : sa grossesse, sa décision d'avorter, les souffrances au sein de leur couple liées à son caractère dépressif, puis son suicide…

Lors d'une réunion entre les quatre occupants de la station, Gordon explique que Rheya est en fait une création de Solaris s'appuyant sur les souvenirs de Chris : « Elle n'est pas humaine ! », s'exclame-t-elle, « C'est une copie, un trompe-l'œil qui vous fait le coup du revenez-y ! ». Elle propose de la détruire à l'aide d'un faisceau qui rendrait son retour impossible. Chris refuse.

Il s'endort de nouveau. Cette fois, c'est Gibarian qui lui apparaît. La scène se déroule dans la station, si bien qu'on ne sait pas vraiment si Chris dort ou s'il est éveillé :

- Chris : « Mais enfin, qu'est-ce que Solaris veut de nous ? »

- Gibarian : « Il n'y a pas de réponse. Il n'y a que des choix. »

De son côté, Rheya profite de ce sommeil pour tenter de se suicider en avalant de l'oxygène liquide. Néanmoins, sa blessure se cicatrise sous les yeux incrédules de Chris, Gordon et Snow, prouvant le caractère non humain de l'entité. « Je n'arrive jamais à m'y faire, lance Gordon. À ces résurrections. »

Gordon explique alors à Chris que le seul moyen de faire définitivement disparaître une entité consiste à la bombarder « d'anti-bosons de Higgs », ce qu'elle affirme avoir testé sur la sienne. Rheya abonde dans son sens car elle a compris n'être qu'une image vivante envoyée par la planète. Mais la raison de Chris a vacillé. Refusant encore, il s'enferme dans sa cabine avec Rheya. Là, il finit par de nouveau s'endormir. À son réveil, il découvre que Rheya a demandé à Gordon de la désintégrer. Cette scène est entrecoupée de flashbacks narrant la découverte par Chris de Rheya lors de son suicide.

Cela fait, Gordon annonce qu'elle quitte la station et invite Chris à la suivre. C'est à ce moment précis que Chris découvre le corps de Snow, conservé dans le plafond de la chambre froide. Gordon et lui comprennent que Snow n'est qu'une entité qui avait pris la place de « son » humain en le tuant. Les deux personnages s'apprêtent à l'éliminer mais l'entité les informe que l'utilisation par Gordon de la « machine à anti-bosons » afin de désintégrer les autres entités a fait acquérir à Solaris « de la masse de façon exponentielle », attirant inexorablement la station vers elle. Par ailleurs, cette dernière a épuisé toutes ses réserves de carburant. Ils n'ont d'autre choix que de s'enfuir sans attendre vers la Terre, à bord de la navette avec laquelle Chris est arrivé.

L'heure du départ a sonné, Gordon et Chris doivent partir en laissant la planète ainsi que l'entité Snow derrière eux. Pourtant, au dernier instant, Chris choisit ; ne pouvant se résoudre à abandonner Rheya, il laisse partir Gordon seule et reste sur la station. Cette dernière commence à se désintégrer sous l'effet de l'attraction de Solaris. Se produit alors un retour brutal sur Terre. Dans sa cuisine, la scène où Chris passe son doigt blessé sous l'eau se répète. Mais cette fois, la blessure disparait comme par magie, à l'image de ce qui s'était passé précédemment pour Rheya, mutilée par l'oxygène liquide. On peut dès lors comprendre qu'il est devenu lui-même une de ces entités.

Les dernières images du film se situent sur Terre, dans une réplique de l'appartement de Chris. Elles mettent en scène le dernier dialogue entre Chris et Rheya :

- Chris : « Je suis vivant ou je suis mort ? »

- Rheya : « On n'a plus à penser en ces termes-là. On est ensemble. Tout ce que nous avons fait est pardonné ».