Chris Kelvin (George Clooney) è uno psicologo che ha da poco perso la moglie, suicidatasi dopo essere stata abbandonata per aver abortito senza renderlo partecipe di questa tragica decisione. Lui stesso, tornato per perdonarla, la scopre ormai morta: assiste in prima persona all'esito della sua azione, certamente iperbolico, di cui non è responsabile, ma pur sempre conseguente alla sua volontà. Lo strazio che un simile lutto provoca diventa un rumore di fondo nella solitaria vita che ora conduce: fra lo studio e la casa Chris si sposta in una città respingente, attonito e stordito, nemmeno consapevole di ciò che gli è accaduto. Un sera riceve un videomessaggio da un amico, capitano di una stazione spaziale in orbita attorno a Solaris, un misterioso pianeta avvolto da una densa nube dai toni cangianti che sfumano dal blu ghiaccio al viola (questa nebbia è un vero e proprio personaggio per Soderbergh, capace di solidificare ed impersonare l'entità Solaris, in grado di operare sui destini di chi vi gravita attorno, come poi si vedrà): cose incomprensibili accadono a bordo e solo lui può darne una spiegazione. E' una disperata richiesta di aiuto alla quale Chris risponde. Giunto a bordo della stazione Prometheus, Kelvin trova l'amico ormai morto. A bordo sono rimasti solo la dottoressa Gordon (Viola Davis) e Snow (Jeremy Davies), un tecnico dall'aria stralunata e dai discorsi convulsi e criptici. Kelvin viene istruito sul misterioso potere di Solaris: dare forma ai desideri più reconditi, materiazzandoli nelle sembianze delle persone più care ormai estinte. Il processo è inconscio – avviene nel sonno – e genera creature, apparizioni perfettamente identiche all'originale, pensanti e dotate di una limitata dose di ricordi che coincide con l'intervallo di memoria evocato dal sogno che ha chiamato alla materia quel ricordo così struggente. Il giorno dopo, dopo aver rivissuto in sogno il loro primo incontro e l'innamoramento, si sveglia con la moglie Rheya al fianco: è l'incarnazione del ricordo, è la moglie. Materialmente. In realtà si tratta del coagulo di un prodotto cerebrale, della proiezione di un ricordo, emendato del dolore. E' la somma dei suoi migliori pensieri, è la moglie ideale, tornata in vita priva del rimorso, neanche pronta a perdonarlo: non è mai stata tradita o offesa poiché quello che è al suo fianco è un ricordo, e il ricordo non ha memoria: è la memoria.
Chris, memore degli ammonimenti della dottoressa Gordon, rinchiude la “moglie” in una cellula spaziale e la espelle dalla stazione: lo fa senza rimorso poiché non ha ucciso la carne, ma la sua proiezione, il suo riflesso. E' adirato contro quella parte di se stesso che avrebbe acconsentito a somministrarsi l'inganno conoscendolo per tale, pur di aver l'illusione che il ritorno della moglie significhi che le sue azioni sono state dimenticate.
L'atmosfera della stazione è già sufficientemente silenziosa e patologicamente onirica – fra apparizioni, schizofrenia della dottoressa Gordon e irrazionalità delle parole di Snow – che resistere alla tentazione di scivolare senza opporre resistenza nel dominio dell'irreale, dell'apparenza è ormai impossibile.
Rheya appare nuovamente, ineluttabilmente, e Kelvin sa bene che lo farà ogni notte perché il suo potere evocativo è troppo cieco e monomaniaco, non importa quanto coscientemente egli tenti di annullare l'irreale dalla sua esistenza: l'irreale è in lui e, mentre sulla terra l'equilibrio di forze è invertito, su Solaris la realtà si scambia con l'irrealtà, le categorie vengono sovvertite.
L'irrealtà non è però una condizione delle cose, ma uno strumento attraverso il quale Kelvin tenta di ottenere il perdono: paga l'ammenda del suo errore rinunciando ad essere proclamato innocente nell'unico tribunale che ne avrebbe titolo: quello della realtà dove lui ha agito. Nell'irrealtà lui non ha sbagliato, esattamente come la moglie fittizia non ha difetti e non serba rancore. Nello spazio mentale dentro l'uomo, nel luogo dove è prodotta la realtà, ma anche la finzione, non esistono categorie morali: niente si può compiere perché niente esiste se non come puro pensiero; nessuno può essere ucciso poiché la vita non è una condizione di esistenza in contrapposizione alla morte, ma è l'unica condizione data: non esistono opposti, esiste solo un continuum mentale.
Il finale del film è rivelatore ed è condensato in un'immagine ed in una frase: Chris è tornato sulla terra dopo la fuga da Solaris, è di nuovo nella cucina di casa e tagliando la verdura si ferisce un dito; lo bagna sotto l'acqua e questo miracolosamente si rimargina. La memoria gli fa capire di essere diventato irreale, di vivere nell'irrealtà come fosse la realtà, di essersi ingannato volontariamente pur di sfuggire al peso insostenibile del suo errore. L'ultima frase pronunciata da Rheya condensa il senso tragico e per niente liberatore del finale: “Siamo stati perdonati di tutto”. Il perdono non proviene dalla coscienza individuale, bensì da un'entità astratta che, nel suo sommo giudizio, “ha perdonato”. Chris non ha perdonato a Rheya di aver abortito e Rheya non ha perdonato a Chris di averla abbandonata. Hanno accettato di “essere perdonati”, di abdicare alla loro capacità di raziocinio e di giudizio per consegnarsi ad una dimensione dove non esiste la possibilità di sbagliare, ma neanche quella di essere perdonati poiché non esiste la libertà. I due “sono stati perdonati” e dovremmo aggiungere “questa volta e per tutte” poiché non avranno più la possibilità di sbagliare e di perdonare in cuor loro ancora una volta. Non ci sono volte nella dimensione dell'irrealtà poiché non c'è scansione temporale, ma solo il ricordo di quando si poteva ancora sbagliare.