Zum Planeten Solaris geschickt, soll der Psychologe Kris mysteriöse Ereignisse auf der Forschungsstation aufklären. Er trifft auf die übrig gebliebenen zwei Mitglieder einer ursprünglich 85-köpfigen Crew, unerklärlich sind die Gründe, warum der Großteil der Gruppe sterben musste. Für die Besatzung des Raumschiffs beginnt eine Reise in ihre eigene Innenwelt und das Sein.
In der Notwendigkeit, seine eigenen Überzeugungen zu überdenken, weil es die äußeren Umstände notwendig machen, sieht Tarkowski das zentrale Motive des Romans »Solaris« von Stanisław Lem, die er in dem gleichnamigen Film verarbeitet hat. Der polnische Autor war zeitlebens unzufrieden mit der Form und Interpretation des Regisseurs, der auch die Bedingtheit des eigenen Schicksals sowie die Grenzen zwischen Leben und Tod als Elemente der Handlung angelegt hat. In dieser mit einfachsten Mitteln gestalteten Zukunftsgeschichte wird deutlich, dass wir uns nur von der Vergangenheit befreien können, wenn wir sie akzeptieren. Tarkowskis Reise hinaus ins All führt hinein ins Innere der menschlichen Seele.
Der Film wurde 1972 bei den Filmfestspielen von Cannes mit dem Spezialpreis ausgezeichnet.