Mientras una nave espacial se aleja de un planeta, un alienígena humanoide bebe un líquido iridiscente que hace que su cuerpo se disuelva. Sus restos caen en cascada y el ADN del alienígena se deshace y recombina.

En 2089, los arqueólogos Elizabeth Shaw y Charlie Holloway descubren en Escocia un mapa estelar que coincide con otros de varias culturas antiguas sin conexión. Lo interpretan como una invitación de los precursores de la humanidad, los "Ingenieros". Peter Weyland, el anciano director general de la Corporación Weyland, financia una expedición, a bordo de la nave científica Prometeo, para seguir el mapa hasta la lejana luna LV-223. La tripulación de la nave viaja en éxtasis mientras el androide David supervisa su viaje. Al llegar a diciembre de 2093, la directora de la misión, Meredith Vickers, les informa de su misión de encontrar a los Ingenieros y de no establecer contacto sin su permiso.

El Prometheus aterriza en la superficie árida y montañosa cerca de una gran estructura artificial, que un equipo explora. En su interior, encuentran cilindros de piedra, una estatua monolítica de una cabeza humanoide y el cadáver decapitado de un gran alienígena, que se cree que es un Ingeniero; Shaw recupera su cabeza. La tripulación encuentra otros cadáveres, lo que les lleva a suponer que la especie se ha extinguido. Los miembros de la tripulación, Millburn y Fifield, se sienten incómodos con los descubrimientos e intentan regresar al Prometeo, pero se quedan varados en la estructura cuando se pierden. La expedición se interrumpe cuando una tormenta obliga a la tripulación a regresar a la nave. David se lleva en secreto un cilindro de la estructura, mientras que el resto de los cilindros comienzan a perder un líquido oscuro. En el laboratorio de la nave, se descubre que el ADN del ingeniero coincide con el de los humanos. David investiga el cilindro y el líquido que contiene. Intencionadamente, contamina una bebida con el líquido y se la da al desprevenido Holloway, que había declarado que haría cualquier cosa por obtener respuestas. Poco después, Shaw y Holloway tienen relaciones sexuales.

En el interior de la estructura, una criatura parecida a una serpiente mata a Millburn y rocía un líquido corrosivo que derrite el casco de Fifield. Fifield cae de bruces en un charco de líquido oscuro. Cuando la tripulación regresa, encuentra el cadáver de Millburn. David descubre por separado una sala de control que contiene un Ingeniero superviviente en éxtasis y un gran mapa estelar holográfico en 3D que destaca la Tierra. Mientras tanto, Holloway enferma rápidamente. Es llevado de vuelta al Prometheus, pero Vickers se niega a dejarlo subir a bordo y, a instancias suyas, lo quema hasta la muerte con un lanzallamas. Más tarde, un escáner médico revela que Shaw, a pesar de haber sido infértil anteriormente, se encuentra en un avanzado estado de gestación. Temiendo lo peor, utiliza una mesa de cirugía automatizada para extraer una criatura parecida a un calamar de su abdomen. Shaw descubre entonces que Weyland ha estado en estasis a bordo del Prometheus. Explica que quiere preguntar a los Ingenieros cómo evitar su muerte por vejez. Mientras Weyland se prepara para salir hacia la estructura, Vickers se dirige a él como "Padre".

Un monstruoso y mutado Fifield regresa al Prometheus y mata a varios miembros de la tripulación antes de morir. El capitán del Prometheus, Janek, especula que la estructura era una base militar de los Ingenieros que perdió el control de un arma biológica virulenta, el líquido oscuro. También determina que la estructura alberga una nave espacial. Weyland y un equipo regresan a la estructura, acompañados por Shaw. David despierta al Ingeniero del éxtasis y le habla en protoindoeuropeo[4] para intentar explicarle lo que quiere Weyland. El Ingeniero responde decapitando a David y matando a Weyland y su equipo, antes de reactivar la nave espacial. Shaw huye y advierte a Janek de que el Ingeniero está planeando liberar el líquido en la Tierra, convenciéndole de que detenga la nave espacial. Janek y el resto de la tripulación se sacrifican embistiendo el Prometheus contra la nave alienígena, expulsando el bote salvavidas en el proceso mientras Vickers huye en una cápsula de escape. La nave espacial inutilizada del Ingeniero se estrella contra el suelo, matando a Vickers. Shaw acude al bote salvavidas y descubre que su vástago alienígena está vivo y ha crecido hasta alcanzar un tamaño gigantesco. La cabeza aún activa de David advierte a Shaw de que el Ingeniero la persigue. El Ingeniero abre por la fuerza la esclusa del bote salvavidas y ataca a Shaw, que libera a su cría alienígena sobre el Ingeniero. Ésta le clava un ovipositor en la garganta del Ingeniero, sometiéndolo. Shaw recupera los restos de David y, con su ayuda, lanza otra nave espacial de los Ingenieros. Pretende llegar al mundo natal de los Ingenieros para intentar comprender por qué querían destruir a la humanidad.

En el bote salvavidas, una criatura alienígena estalla en el pecho del Ingeniero.