Идея экранизировать фантастический роман Станислава Лема возникла у режиссёра Андрея Тарковского ещё в 1968 году, после выхода голливудского фильма «Космическая одиссея» и советского двухсерийного телеспектакля «Солярис». Он отнёс заявку на «Мосфильм», её приняли, но приступить к работе режиссёр смог только спустя пять лет. Сценарий, одним из авторов которого был сам Тарковский, поочерёдно отклонили и худсовет, и Станислав Лем. С худсоветом режиссёр вопросы уладил быстро, а вот с писателем конфликт продолжился даже после выхода фильма в прокат. На встрече с Тарковским Лем резко высказался в том духе, что в романе есть всё, что нужно и нет никакой необходимости наполнять его отсебятиной…
Главное, что не устраивало Станислава Лема — перенос акцента с холодной науки на чувства людей. Писатель старался передать сложность контакта учёных с непознанным, а Тарковский решил снять фильм о внутренних переживаниях… На самом деле режиссёра привлекала не только философия, но и возможность сделать зрелищный фильм для широкого зрителя. После отправки на полку драмы «Андрей Рублёв» у него возникла масса финансовых и рабочих проблем, которые он надеялся решить с помощью популярного фантастического жанра.
«Мосфильм» поставил условие — пригласить авторитетного консультанта. Им стал знаменитый тогда астроном и астрофизик, автор нескольких работ по вопросам существования инопланетных цивилизаций Иосиф Шкловский. Ему отправили сценарий, а через несколько дней он прислал отзыв, мол, со стороны науки претензий нет. После этого на киностудии сценарий уже не правили.
Исполнителей главных ролей режиссёр подбирал под описание героев в романе. На главную роль пригласили Донатаса Баниониса — он уже читал «Солярис» и с радостью согласился на работу с Тарковским. Потом признавался, что сниматься у него было интересно, но непросто — режиссёр был несколько странным и очень вспыльчивым человеком. Кроме того, Банионис понимал, что снимается в эстетской философской картине, которую массовый зритель вряд ли оценит… На другие роли были утверждены Юри Ярвет, Владислав Дворжецкийи любимые режиссёром Николай Гринько и Анатолий Солоницын.
Дольше всего искали актрису на роль Хари. Среди претенденток были Анастасия Вертинская, Алла Демидова, Наталья Бондарчук и шведка Биби Андерссон, с которой, правда, так и не удалось договориться. После повторных проб роль получила двадцатилетняя Бондарчук — режиссёр увидел её в драме «Ты и я» и решил дать актрисе ещё один шанс…
На съёмочной площадке между ними разгорелся роман, хотя оба были несвободны. Девушка настолько потеряла голову, что даже пыталась свести счёты с жизнью, но режиссёр так и не ушёл от жены. Для Бондарчук история закончилась разводом с мужем, разрывом болезненных отношений с Тарковским и новым браком с актёром Николаем Бурляевым.
Съёмки фильма проходили в Москве, Крыму, Звенигороде и в Токио, причем, туда поехали только для того, чтобы снять многоэтажную скоростную автостраду — в 70-х сложно было придумать более футуристическое зрелище. Все космические интерьеры были выстроены в павильонах «Мосфильма» — с декорациями съёмочной группе помогал Всесоюзный институт лёгких сплавов. На студии выстроили библиотеку, стартовую площадку, космическую станцию и зеркальную комнату, которая в результате в фильм не вошла. Сцены в невесомости снимали с помощью специальных штанг и тросов, так же на тросах «взлетала» и ракета — её макет позаимствовали на военном полигоне.
Тарковский сразу отказался и от настоящих костюмов космонавтов, и от любых фантазийных вариантов. Вместе с художником они решили использовать лишь детали от настоящих скафандров, а в космические интерьеры добавили предметы из обычного быта. Костюмам уделялось огромное значение — для Тарковского всё должно было что-то символизировать. Так, например, вязаные вещи Хари и матери Криса символизировали домашний уют… Николай Гринько рассказывал, что когда режиссёру не понравился слишком новый вид его куртки — он обрезал рукава, кинул её в пыль, потоптался, прожёг в нескольких местах сигаретой и только после этого разрешил актёру в ней сниматься.
Долго экспериментировали с разумным Океаном. После многих химических опытов c ацетоном, красителями, алюминиевыми опилками и даже кислотой — была найдена нужная консистенция и фактура, а усилили загадочный эффект подсветкой. «Океан» размешали в тазу и сняли его замедленное движение, а потом комбинировали снятый материал с другими кадрами.
Музыку к фильму написал композитор Эдуард Артемьев — режиссёр знал, что тот экспериментирует с электроникой. Тарковский дал ему послушать хоральную прелюдию Баха и сказал, что хочет её в космическом звучании, плюс остальное музыкальное сопровождение из нескольких ярких звуков. Артемьев разделил работу на естественные звуки и космические, для которых создал полифонию из оркестровой музыки, синтезатора, хорового пения и колоколов. Звуки природы подбирали вместе с режиссёром, и это был самый долгий процесс — одних только шумов листвы Тарковский забраковал пару десятков…
После премьеры автор романа Станислав Лем дал интервью, в котором сказал, что у него к фильму принципиальные претензии. По его мнению, Тарковский снял камерный фильм на тему «преступление и наказание» про родственников главного героя, а вовсе не его «Солярис».
В советском прокате фильм получил высшую прокатную категорию и окупился на 90% - это был максимальный коммерческий успех для Тарковского. На фильм было продано 10 млн. билетов, но многие зрители уходили с сеансов… Как многие работы Тарковского, «Солярис» был благосклонно принят на западе — он участвовал в программе Каннского кинофестиваля и получил специальный гран-при от жюри.