2001年，史蒂文·索德伯格的创作才华在《十一罗汉》和《正面全裸》中得到了充分展现，尽管他从未涉足科幻领域，对科幻电影中的高科技元素并不感冒。然而，一次偶然的机会，他接到一位在20世纪福克斯工作的朋友的提议，希望重拍科幻大师史坦尼斯劳·莱姆的代表作《索拉里斯》。这个建议促使索德伯格开始考虑跨足科幻电影的世界。
不久后，索德伯格得知詹姆斯·卡梅隆及其合作伙伴蕾·桑切尼和乔恩·兰道拥有改编和拍摄该小说的权利。早在1972年，安德列·塔科夫斯基的电影已经将《索拉里斯》搬上大银幕。经过五年努力，光风暴娱乐公司才从原著作者和莫斯科电影制片厂处获得改编权。对于卡梅隆来说，《索拉里斯》是他梦寐以求的项目，他欣赏塔科夫斯基的电影风格。当得知索德伯格有意执导，卡梅隆欣喜若狂，认为这是天赐良机，相信索德伯格能够将小说中的深邃思想转化为电影。
索德伯格、卡梅隆、桑切尼和兰道共同讨论，初步确定了影片的方向。卡梅隆回忆说，这次合作在很大程度上是开放的，因为他们在剧本创作中并未预设观点，索德伯格得以独立地改编。在剧本构建中，索德伯格融合了小说、塔科夫斯基的电影元素和个人见解，特别强调了凯尔文和他妻子过去在地球上的经历，这是与原著和早期电影的主要区别。
索德伯格强调，《飞向太空2002》并非一部纯粹的科幻动作片，而是以凯尔文与蕾亚的爱情为主线，探索爱情的第二次机会。制作人乔恩·兰道提到，电影的主题围绕着这个爱情故事展开，而“一切没有答案，只有选择”这句台词，恰如其分地概括了影片的内核。索德伯格刻意避免过多描绘未来的科技元素，而是将故事背景设定在近在咫尺的宇宙空间站，通过有限的窗口设计，营造出压抑和孤独的氛围，以反映人物的内心世界。
未来某年，在外太空的空间站“普罗米修斯”上驻扎的一个科学家小组切断了空间站和地球的所有联系。心理学家克里斯·凯尔文博士（乔治·克鲁尼饰演）受命去调查。空间站围绕着一个液体星球Solaris旋转，这个星球蕴藏着神秘的能量。到达后，凯尔文发现有人神秘自杀，另外两人则情绪极度不稳定。Solaris让他死去多年的妻子蕾亚（娜塔莎· 麦克艾霍饰演）重新复活，给了他第二次爱情的机会。