太古の昔、岩山と激流しか見当たらない惑星。その地表に降り立った人型の異星人が半球形の容器に満たされた黒い液体を飲むと、その体は急激に変貌し始め、滝壺に投げた身は溶けてゆき、自らのDNAを惑星に拡散させた。時は流れて西暦2089年、考古学者のエリザベス・ショウとチャーリー・ホロウェイは新たに古代遺跡を発見した。その壁画の構図はそれまで複数の古代文明で見つかった物と明らかに共通点が見られるものであった。ここから人類が追い続けていた種の起源の答えとなる未知の惑星の存在が浮かび上がる。ウェイランド社選抜の科学者たちを中心に編成された調査チームは、宇宙探査船プロメテウス号に乗り込み、星図の示す別の恒星系を目指して出発する。乗組員が冷凍休眠で眠る間、アンドロイドのデヴィッドが航行を担当し、来るべき宇宙人との意思疎通に備え、祖語の学習・研究に励む。2093年12月21日、機関が自動停止し、惑星LV-223が目前に迫った事を知らせた。冷凍休眠から目覚めた乗組員は、故人となったウェイランド社社長、ピーター・ウェイランドからのホログラム映像による激励と今回の調査目的について説明を受ける。ショウは創造論的発想で「エンジニア」なる宇宙人が存在し、それが人類誕生の謎を解く創造主だと語る。ウェイランド社の重役にして調査ミッション責任者のメレディス・ヴィッカーズは計画自体に懐疑的で、万が一エンジニアと遭遇しても一切コンタクトを取らず、直ちに自分へ報告するよう忠告する。12月25日、プロメテウス号はLV-223の大気圏に突入。着陸地点の探索中、複数の滑走路のような直線と複数の巨大なドーム状の岩山を発見し、その付近の平坦な場所へ着陸。日没が迫るので船外活動に難色を示す船長ヤネックの制止を聞き入れないホロウェイたちは、クリスマスプレゼントを開けずにいられるかとばかりに、即席で調査隊を結成し岩山へ向かう。岩山に見えたのは実は人工的に造られた何らかの構造物であった。途中から別行動をとったデヴィッドが映像記録装置を発見し、起動させるとエンジニアとおぼしき人間大の生命体が走って行くホログラムが再生され、その先にドアで頭部が切断されたエンジニアの死体を発見する。測定により、その死体は約2千年前のものと分かった。ドアを開くとエンジニアの頭部と巨石人頭像のような巨大な頭像、および円筒形の容器が無数に置かれた部屋が発見される。壁面には細長い頭を持つ人型のレリーフがあり、部屋の床面にはミミズのような小生物が棲息していた。一方、外では急速に天候が悪化し、嵐が接近しつつあった。そのため調査隊は一時撤収を余儀なくされる。混乱に乗じてデヴィッドは、秘密裏に容器の一つを持ち出す。彼が立ち去った後、残された容器からは黒い粘性の液体があふれ始めていた。一方、エンジニアの死体に不安感を抱き、先に帰ったはずの生物学者ミルバーンと地質学者ファイフィールドの二人は構造物の中で迷い、取り残されてしまった。彼らは内部をさまよい歩くうちにエンジニアの死体の山を発見する。プロメテウス号に戻ったショウたちは、持ち帰ったエンジニアの頭部からDNA型を分析したところ、人間のそれと完全に一致するとの結論に達した。同じ頃、別室でデヴィッドは円筒を開き、中のアンプル状の容器から黒い液体を採取する。一方、ホロウェイは船内でくつろいでいたが、そこへデヴィッドが現れ語りかける。彼は採取した黒い液体の正体を確かめるべく、それをシャンパンに密かに混入しホロウェイにすすめ、彼はシャンパンを一気に飲み干した。ショウも自室に戻ってくつろいでいるところへホロウェイが現れ、二人はそのまま性交する。夜もふけて、ヤネック以下プロメテウス号の乗組員全てがくつろいでいる最中、ミルバーンとファイフィールドはなおも構造物内をさまよい歩き続け、やがて円筒形の容器が無数に置かれた部屋に差し掛かる。するとあふれ出た黒い液体のたまり場から何か生き物が飛び出した。それはミミズのような小生物が変異した、乳白色でコブラのような軟体生物であった。突然それがミルバーンに襲い掛かり、強い力で腕に巻きつき、へし折ってしまう。引き剥がそうとファイフィールドが生命体の身体を傷つけると噴き出した体液がファイフィールドのヘルメットを溶かし、悶絶する彼は黒い液体の中へ転倒する。軟体生物がミルバーンの溶けた服の隙間からヘルメットまで入り込み、口から体内へ侵入して彼を殺してしまう。翌朝、ホロウェイは自分の身体に何か異変が生じているのに気づく。嵐は静まり、調査隊は再び構造物へ向かう。その内部でミルバーンの死体を発見するが、ファイフィールドの姿は消えていた。デヴィッドはまたも別行動で秘密裏にエンジニアの宇宙船の操縦室を発見し、ホログラム映像からその操縦法を学習、エンジニアの一人が冷凍冬眠状態で生存していることを知る。一方ホロウェイの体調は急速に悪化し、調査隊は彼をプロメテウス号に連れ帰る。しかし、船内感染を恐れたヴィッカーズは火炎放射器を向けて彼の乗船を拒み、押し問答の末もう助からないと覚悟を決めたホロウェイは彼女の前に進み出し、放たれた炎で焼け死んでしまう。それを見たショウはショックのあまり気絶する。やがて彼女が目覚めると、目の前にデヴィッドが戻ってきていた。体内スキャンの結果、わずか10時間前のホロウェイとの性交で、彼女は先天的不妊症にもかかわらず妊娠3ヶ月の状態と知らされ、しかもそれは人間外の生命体だという。体内で未知の恐るべきものが急速に成長していると確信したショウは、堕胎させず地球に戻るまで長期睡眠させようとするクルーたちから逃れ、ヴィッカーズの居室兼専用の帰還モジュール内にある全自動手術装置で手術を受ける。彼女は苦悶しながらも何とか摘出手術に成功、体内から取り出されたのは、タコのような触手を持つ異形の生命体であった。パニックに陥ったショウはそれを全自動手術装置の中に閉じ込め逃げる。一方、行方不明だったファイフィールドが突如プロメテウス号に戻ってきた。しかし、彼はもはや人間ではなくなっていた。知性は失われ、顔は融解したように変貌し、人間以上の身体能力を身に着けていた。彼に歩み寄った隊員がまず殺され、暴れ回ったファイフィールドはさらに数人を殺したが、ヤネックらによって車両で轢き潰された上に焼き殺された。その間、ショウは既に死亡したと思われていたウェイランドが、プロメテウス号の一室に同乗していたことを知った。デヴィッドがヴィッカーズの指示に従わない行動を見せたのは、社長であるウェイランドの指示命令が優越されたからであり、彼は創造主たるエンジニアと会い、自分を老衰による死から救ってくれるよう直接頼みこむ考えであった。しかしショウはこの惑星に来たことは間違いだったと述懐する。ヤネックはショウに対し、この惑星はもともとエンジニア達の母星ではなく、彼らが作りだした病原体（黒い液体）をテストするための試験場であり、それに感染しエンジニアたちは全滅したのではないかという仮説を提示するが、答えは出ない。ウェイランドたちは支度をしてエンジニアの宇宙船操縦室へ向かう。見送るヴィッカーズは彼を「父」と呼んだ。デヴィッドは冷凍冬眠中のエンジニアを目覚めさせウェイランドの要求を申し入れるが、話も半ばに突然デヴィッドの頭部を引きちぎり、ウェイランドたちを次々と襲って殺害してしまう。更に操縦室に乗り込みハッチを閉め、離陸の準備を始める。ショウは宇宙船から脱出するが、機能し続けるデヴィッドから、エンジニアが生物兵器を地球に拡散させるつもりであると連絡を受ける。デヴィッドはエンジニアの行動をずっと監視し続けていたのだった。ショウはエンジニアが地球の破壊に向かうとヤネックに報告し、飛び立とうとする宇宙船を阻止するよう説得する。ヤネックと副操縦士二人はプロメテウス号を宇宙船に激突させ墜落させることに同意するが、ヴィッカーズは船との心中を拒否。そこでヤネックは彼女に脱出ポッドを使用し40秒以内の退船を指示した。まず彼女専用の居住モジュールを本船から射出し、次に非常脱出ポッドで脱出。船長たちはそのままプロメテウス号でエンジニアの宇宙船を追跡し、それに衝突して見事撃墜した。すんでのところでプロメテウス号から脱出したヴィッカーズだが、そこへ爆発した宇宙船の破片が降り注ぎ、果ては墜落してきた宇宙船の下敷きとなり死亡する。同じく下敷きになったかと思われたショウは、岩と宇宙船との隙間でかろうじて助かった。やがて気密服の酸素残存量減少の警告音で目を覚まし、追加の酸素を得るためヴィッカーズの居住モジュールへ入るが、摘出処置を受けた全自動手術室内に、幼体から今や7本の太い触手を持つ巨大な姿に成長した生命体がいるのを見る。するとそこへ墜落から生き延びたエンジニアが復讐にやって来て、ショウに襲い掛かるが、彼女は絶妙なタイミングで手術室の扉を開放し、巨大化した生命体がエンジニアを襲っている間に逃げ出す。エンジニアは生命体と格闘するうちに頭部に絡みつかれて昏倒する。ショウは絶望に打ちひしがれたが、その耳にいまだ機能するデヴィッドの声が聞こえてきた。そこでショウは破壊されずに残っていたバギーで墜落した宇宙船へ向かい、エンジニアの宇宙船の操縦方法を習得したデヴィッドを回収、更に別のドームに残されていた宇宙船へ向かう。彼女らはLV-223は死の星であり、このメッセージを受信しても決して発信源を探すな、という警告を残す。そして一連の行動の動機を探求すべく、2094年1月、宇宙船を使って彼らの母星を目指し旅立った。一方その頃、残された居住モジュール内で倒れていたエンジニアの胸を突き破り、尖った頭を持つ新たな生命体が出現した。それは起き上がると奇怪な産声を上げ、その口の中には、もう一つの「飛び出す口」があった。