Le roman est raconté à la première personne par Kris Kelvin, psychologue envoyé à la station, qui découvre trois scientifiques : Snaut, Sartorius et, dans un premier temps, le cadavre de Gibarian. Les « visiteurs », dont Harey, apparition de la femme que Kelvin a aimée, sont des créations que l'océan a puisées dans la mémoire des astronautes.
Le texte alterne les scènes dramatiques, très resserrées, et de longues digressions sur la « solaristique », discipline fictive faite de théories et de bibliographies, qui occupent des chapitres entiers. Lem y construit une parodie de littérature scientifique, qui souligne l'échec des hypothèses humaines face à Solaris. Le roman se termine sans révélation, dans une ouverture.
Solaris est considéré comme le chef-d'œuvre de Lem et l'un des grands romans de la science-fiction mondiale. Il figure dans La Bibliothèque idéale de la SF (1988), qui retient 49 romans. Les adaptations en ont fait un texte connu au-delà du genre : après le téléfilm soviétique de 1968, Andreï Tarkovski en tire un film en 1972, puis Steven Soderbergh une version américaine en 2002. Lem lui-même a émis des réserves sur la lecture de Tarkovski, qu'il jugeait trop éloignée de son propos. Le livre est traduit en français dès 1966 chez Denoël.
Solaris pose une question toujours ouverte : que ferait-on face à une intelligence qui n'a rien d'humain, et comment saurait-on qu'on l'a comprise ? Le roman refuse les consolations du genre : pas de guerre des mondes, pas de dialogue facile, mais le constat que nous cherchons dans l'inconnu notre propre reflet. Il touche aussi à des questions plus intimes : le deuil, la culpabilité, la mémoire. C'est l'un des textes qui ont montré que la science-fiction peut être une grande littérature.