Образования на поверхности планеты Солярис под светом разных солнц (художник Доминик Синьоре):

Файл:Symmetriad_3.jpg|Симметриада

Файл:Asymmetriad.jpg|Асимметриада

Файл:Mimoid red.jpg|Мимоид

Соляристика, несмотря на усилия выдающихся учёных в её рядах, стала своеобразной описательной наукой, которая накопила огромный массив фактов, но не смогла сделать никаких выводов и предсказаний. Через некоторое время наступил застой, всё большее число специалистов разочаровывались в соляристике и склонялись к выводу, что попытки контакта с Океаном бесперспективны из-за слишком больших различий между ним и людьми.

Не ищем мы никого, кроме людей. Не нужно нам других миров. Нам нужно зеркало […]. Мы хотим найти собственный, идеализированный образ, это должны быть миры с цивилизацией более совершенной, чем наша. В других мы надеемся найти изображение нашего примитивного прошлого.

Крис Кельвин на станции

Прибытие главного героя романа — доктора Криса Кельвина — на борт исследовательской станции Солярис на научное дежурство происходит в период кризиса соляристики и угасания интереса к изучению планеты.

Выйдя по прилёте из шлюза, доктор сразу обнаруживает хаос и запустение. Он ожидал встретить троих обитателей: Гибаряна, Снаута и Сарториуса. Однако несколькими часами ранее доктор Гибарян покончил жизнь самоубийством. Двух других членов экипажа Кельвин находит в состоянии глубокой депрессии, на грани помешательства. Выясняется, что причиной психических отклонений экипажа является появление на станции существ, которых можно было бы назвать фантомами, если бы они не были, с точки зрения землян, вполне материальны. Единственное объяснение их появления — фантомы созданы океаном Соляриса. Судя по происходящему с Кельвином и редким оговоркам его коллег, фантомы являются точными, как во внешности, так и в поведении, копиями людей (во всяком случае — живых существ), ранее знакомых человеку, причём таких, с которыми связаны острые, травмирующие воспоминания, или материализацией его фантазий, зачастую неприятных или аморальных, которых сам человек стыдится. Кельвину Океан посылает его девятнадцатилетнюю жену Хари, которая за десять лет до описываемых событий покончила с собой (отравилась) после размолвки с ним.

Кельвин начинает понимать, что и ему недалеко до потери рассудка. Он проводит над собой ряд опытов, позволяющих убедиться, что всё с ним происходящее — реальность, а не бред или галлюцинация. При этом он находит свидетельства того, что и Гибарян проводил аналогичные опыты. Кельвин пытается избавиться от фантома Хари, отправив её в ракете в полёт за пределы станции, но это не помогает — Хари появляется опять, точно такая же, причём не помнящая своего предыдущего появления. Кельвин уже не в силах сопротивляться её присутствию и начинает просто жить и общаться с ней, как с обычной, реальной женщиной.

И Кельвин, и его коллеги пытаются понять, как устроены «фантомы». Исследование тканей фантомов показывает, что они являются точными моделями обычных человеческих тканей, построенными из каких-то неизвестных структур, стабилизированных силовыми полями, очевидно, генерируемыми Океаном. Фантомы при физическом воздействии чувствуют боль, но при повреждениях очень быстро восстанавливаются. Фантом не может ни покончить с собой, ни быть убит; будучи внешне вполне мёртвым, он через короткое время «воскресает» в прежнем виде. Ткани восстанавливаются даже после участия в химических реакциях (кровь Хари восстановилась в пробирке после сжигания кислотой) и по-видимому могут быть уничтожены только аннигиляцией. Но даже после аннигиляции фантом вскоре возвращается. Фантомы (по крайней мере, Хари) ощущают себя «настоящими» людьми, имеют память (со значительными провалами) и чувства, но при этом каким-то образом «привязаны» к человеку, которому явились: они физически не могут долго выносить его отсутствие. Со временем, находясь рядом с человеком, фантом всё более «очеловечивается», приобретает черты, не свойственные оригиналу (точнее, воспоминаниям человека об оригинале) и становится всё более самостоятельным.