Le film s’ouvre sur un prologue qui se déroule à l’aube du temps. On y voit notre planète être terraformée et biofermée par des entités extraterrestres s’apparentant à des dieux, les Ingénieurs.
On saute ensuite en 2085. Dans le désert africain sont découvertes des ruines de la Citadelle des Ingénieurs, qui révèlent des répliques biomécaniques d’origine extraterrestre. Cette exhumation attire l’attention de la Weyland Corporation, qui finance les fouilles dans l’espoir que cette technologie venue de l’espace pourra les aider à coloniser d’autres planètes.
Meredith Vickers (Charlize Theron) qui dirige l’opération, recrute Elisabeth Shaw (Noomi Rapace), une astrophysicienne qui découvre les indices suggérant que les ingénieurs sont à l’origine de la création de l’espèce humaine. Lesdits indices ayant également permis de localiser leur planète, la Weyland Corp. décide alors de financer une mission spatiale pour établir le contact.
Cinq ans plus tard, l’équipage du vaisseau Prometheus, parmi lesquelles Vickers et Shaw, émerge de son sommeil cryogénique alors que l’engin approche de leur destination, sur laquelle il va s’écraser après avoir été aspiré par un gigantesque trou noir. Shaw part en reconnaissance et découvre un Temple abritant le Bio-Brain, un visage humanoïde biomécanique près duquel reposent des milliers d’urnes. Son assistant, l’android David (Michael Fassbender), les ramène à bord du Prometheus pour procéder à des analyses qui lui apprennent qu’elles contiennent le Bioformer, un liquide capable de créer des milliers d’espèces et de modifier les cellules de n’importe quel organisme vivant.
Tandis que David est infecté par le liquide, dans les profondeurs du Temple, les Ingénieurs reprogramment le Bioformer pour en faire une arme qu’ils injectent dans le corps de l’un des membres de l’équipage qu’ils laissent repartir sur le Prometheus afin qu’il contamine ses camarades. Ceux-ci se métamorphosent alors en Protoformes, des créatures qui, contrôlées à distance par les Ingénieurs, s’en prennent au reste de l’expédition.
Les survivant réalisent que le trou noir les a ramenés des centaines de millions d’années en arrière et qu’ils sont en fait revenus sur Terre. Les premiers d’une nouvelle génération de monstres.
On apprend alors que Vickers n’est autre qu’un produit des Ingénieurs qui a toujours voulu revenir leur voler leur pouvoir. Poursuivie par et Vickers et par un Ingénieur pilotant un vaisseau à l’apparence familière, Shaw s’échappe à bord d’un appareil ennemi et parvient à regagner la Terre dans le présent, où elle est immédiatement internée par ses employeurs. Pendant ce temps, l'Ingénieur, resté à l’époque préhistorique, se crashe sur une planète du système solaire Zeta 2 Reticuli, avec à son bord des œufs sur le point d’éclore…