心理学家克里斯·凯尔文受命前往遥远的索拉瑞斯星，调查太空站上科学家们遭遇的异常现象。临行前，他与曾在此地执行任务的飞行员亨利·伯顿见面，伯顿神色凝重地警告他，索拉瑞斯星会以某种方式入侵人的意识，使人无法分辨真实与幻觉。凯尔文并未完全相信，但当他抵达太空站时，发现站内一片混乱，几位科学家神情恍惚，甚至有人自杀身亡。很快，凯尔文自己也遭遇了不可思议的事件——他死去的妻子哈丽竟然出现在太空站中，宛如真人一般。她拥有记忆、情感，甚至会对凯尔文的恐惧和抗拒做出反应。凯尔文逐渐意识到，索拉瑞斯星能够读取人类潜意识，并将最深处的愧疚、爱与创伤具象化。哈丽的出现，正是他内心无法释怀的罪责与思念的投射。面对这个由记忆构成的“妻子”，凯尔文陷入两难：他既想摆脱这个幻影，又无法抗拒对她的依恋。与此同时，太空站的科学家们对如何处理这些“访客”产生了激烈分歧，有人主张消灭，有人试图研究。凯尔文最终选择以爱和共情去理解索拉瑞斯星的法则，他意识到，这片海洋般的星球并非恶意，而是试图与人类建立沟通。影片以凯尔文拥抱哈丽、融入星球意识的诗意画面收尾，探讨了记忆、救赎与人性的本质。