Câu chuyện mở đầu với hình ảnh một chiếc tàu vũ trụ rời khỏi một hành tinh, một sinh vật như người ngoài hành tinh nhưng giống người uống một chất lỏng và sau đó bị tan biến. Cơ thể của người ngoài hành tinh rơi xuống ngọn thác và ADN của sinh vật này đã hòa lẫn với dòng nước đang chảy xiết.

Năm 2089, hai nhà khảo cổ học là Elizabeth Shaw và Charlie Holloway phát hiện một di tích khảo cổ là một tấm bản đồ thiên văn học ở Scotland có sự trùng khớp với nhiều di chỉ khảo cổ khác đã được tìm thấy trước đó. Cả hai cùng nhau nghiên cứu và kết luận đây là một chỉ dẫn tới từ những người đã tạo ra loài người, hay còn được gọi là "Engineers". Peter Weyland - chủ tịch của tập đoàn Weyland - đã tài trợ cho chuyến thám hiểm này và con tàu mang tên Prometheus đi theo bản đồ thiên văn học tới một hành tinh tên LV-223. Cả đoàn thám hiểm được đặt vào chế độ ngủ đông trong khi người máy tên là David được cử đi điều khiển toàn bộ chuyến hành trình. Cuối cùng, tàu thám hiểm cũng tới được hành tinh LV-223 vào tháng 12 năm 2093, và Meredith Vickers - người quản lý thám hiểm trên chuyến tàu - đã yêu cầu cả đoàn thực hiện phi vụ tìm kiếm "Engineers" và không được tiếp xúc với vật thể nào mà không có sự cho phép của cô vì lý do an toàn.

Tàu Prometheus hạ cánh xuống một đồng bằng nhân tạo rộng lớn. Khi vào sâu bên trong, họ phát hiện ra nhiều khối trụ bằng đá, cùng với bức tượng đầu người to một cách bất thường, và một xác chết không đầu của một sinh vật được xem là của Engineer; sau đó, Shaw đã thu thập đầu của xác chết đó. Đoàn cũng tìm được thêm nhiều xác chết và kết luận rằng có thể họ đã bị diệt vong. Hai thành viên của đoàn là Millburn và Fifield cảm thấy không ổn với những gì họ mới tìm thấy được cho nên cả hai đã đi trước, nhưng rồi sau đó cả hai đều bị lạc. Chuyến thám hiểm bị rút ngắn hơn so với kế hoạch ban đầu do một cơn bão vũ trụ đang trên đường ập tới. David bí mật thu thập mẫu vật là một trong nhiều khối trụ chảy ra nhiều chất lỏng màu đen sền sệt trong căn phòng họ vừa phát hiện. Trong phòng thí nghiệm, ADN thu được từ chiếc đầu được cho là trùng khớp với ADN của con người. Trong khi đó, David nghiên cứu khối trụ vừa tìm thấy được cùng với vài chai đựng chất lỏng bên tro, và sau đó anh bỏ chất lỏng đó vào ly rượu của Holloway. Không lâu sau đó, Shaw và Holloway có quan hệ với nhau.

Bên trong khối kiến trúc nhân tạo, một sinh vật giống rắn giết Millburn và thải ra khí độc ăn mòn làm tan chảy mũ bảo hiểm của Fifield. Fifield ngã ụp mặt vào vũng nước đen đặc sệt. Khi đoàn thám hiểm quay trở lại bên trong, họ tìm thấy xác của Millburn. Còn David thì một mình phát hiện một căn phòng có một Engineers đang ngủ đông, và một bản đồ 3D chỉ đường tới Trái Đất. Trong khi đó, Holloway trở bệnh nặng và được đưa về tàu nhanh chóng nhưng Vickers từ chối để cho anh lên tàu, vì lý do an toàn nên cô đã thiêu đốt anh. Sau đó, Shaw phát hiện rằng cô đang có bầu mặc dù trước đó cô đã không còn có khả năng sinh sản. Vì quá sợ hãi, cô đã sử dụng buồng phẫu thuật tự động để phẫu thuật loại bỏ một sinh vật giống con mực từ bụng của mình. Shaw cũng phát hiện rằng Weyland cũng đã ngủ đông trong một thời gian dài trên tàu Prometheus. Ông tiết lộ là ông muốn hỏi những sinh vật Engineer khác về cách để trường sinh bất tử. Khi Weyland chuẩn bị đi đến khối kiến trúc, Vickers gọi ông là cha, vì trước đây cô thường xuyên bị ông ghẻ lạnh trong nhiều năm qua.

Fifield lúc này đã thực sự bị đột biến, anh quay lại tàu Promethus và giết một số người trong đoàn trước khi bị hỏa thiêu. Thuyền trưởng chính của tàu là Janek cho rằng khối kiến trúc này là căn cứ quân sự của các Engineers không may bị diệt vong bởi một vũ khí sinh học không thể kiểm soát là chất lỏng màu đen sền sệt được tìm thấy khắp mọi nơi. Anh cũng khẳng định rằng khối kiến trúc đó thật sự là một con tàu vũ trụ. Weyland và nhóm tiến vào bên trong cùng với Shaw. David đánh thức Engineer khỏi trạng thái ngủ đông và cố gắng giải thích mong muốn của Weyland bằng tiếng Ấn-Âu nguyên thủy.[4] Engineer hồi đáp bằng việc xé nát đầu David và giết Weyland cùng hậu cận của ông trước khi khởi động lại con tàu. Shaw trốn thoát được và thông báo cho Janek về việc Engineer sẽ điều khiển tàu tiến tới Trái Đất để giải phóng chất lỏng màu đen nhằm tiêu diệt Trái Đất, vì thế cô bảo anh tìm mọi cách cho tàu vũ trụ của Engineer dừng hoạt động. Janek cùng phi hành đoàn hy sinh bằng việc tự đâm tàu Prometheus để dừng tàu vũ trụ của Engineer, cũng như giải phóng tàu cứu sinh cho Shaw, còn Vickers thì thoát nạn do đã ẩn nấu trong buồng thoát hiểm, nhưng cô lại bị tước mất mạng sống bởi tàu vũ trụ hư hỏng của Engineer đâm sầm xuống mặt đất. Shaw đi tới tàu cứu sinh và phát hiện sinh vật cô vừa loại ra khỏi bụng mình đã lớn hơn rất nhiều. Cái đầu còn hoạt động của David cảnh báo Shaw về việc Engineer đang truy sát cô, hắn mở tàu cứu sinh và tấn công Shaw, nhưng cô đã kịp thời giải phóng sinh vật ngoài hành tinh để tấn công Engineer. Sinh vật này đã quấn chặt người Engineer, rồi sau đó dùng chính bộ phận của mình để thả trứng xuống cổ họng của hắn. Engineer đã hoàn toàn bị tiêu diệt.

Sau trận chiến, Shaw đã thu hồi toàn bộ thân xác của David, và dưới sự giúp đỡ của anh, cô đã khởi động lại tàu vũ trụ của Engineer để bay về hành tinh của sinh vật này với hi vọng tìm hiểu vì sao họ lại muốn tiêu diệt loài người. Trong khi đó, một sinh vật ngoài hành tinh khác đã chui ra từ trong xác của Engineer, và sinh vật này có thể sẽ mang theo một mối đe dọa mới.