Zadebiutował jeszcze w 1946 roku nowelą Człowiek z Marsa, drukowaną w odcinkach w "Nowym Świecie Przygód". Pisywał wiersze i opowiadania publikowane między innymi w "Tygodniku Powszechnym", "Żołnierzu Polskim", "Kuźnicy". W 1948 roku zaczyna pisać swoją pierwszą powieść, Szpital Przemienienia, która z powodów cenzuralnych ukazuje się dopiero osiem lat później. Będąc w trudnej sytuacji finansowej, wyrzucony ze Związku Literatów i bez ukończonych studiów, w efekcie przypadkowego spotkania z dyrektorem "Czytelnika" w Zakopanem decyduje się napisać "dla chleba" wydanych w 1951 roku Astronautów. Nieoczekiwany sukces Astronautów skłania pisarza do napisania kolejnych książek z dziedziny fantastyki naukowej, które zdobywają dla niego pozycję jednego z największych pisarzy w historii s.f.

Obok form beletrystycznych Lem uprawia także prozę dyskursywną: Dialogi (1957), Summa Technologiae (1964), Filozofia przypadku (1968), Fantastyka i futurologia (1970), Mój pogląd na literaturę:

Na początku lat siedemdziesiątych ukazują się dwa zbiory szkiców literackich na temat nieistniejących książek (Doskonała próżnia i Wielkość urojona), których uzupełnieniem będzie późniejsza Prowokacja (1984) i Biblioteka XXI wieku (1986): całość zebrana została w tomie Biblioteka XXI wieku.

W latach dziewięćdziesiątych Lem zajmuje się opracowywaniem prognoz futurologicznych. Współpracuje z "Tygodnikiem Powszechnym" (stały felieton "Świat według Lema": wybór ukazał się w formie książkowej jako Krótkie zwarcia), z "Odrą" (cykl artykułów pt. "Rozważania Sylwiczne": Sex Wars) oraz z nieistniejącą już polską edycją "PC Magazine" (artykuły z tego czasopisma zostały zebrane w książce Moloch).