Metroid Prime ist ein Sequel als auch ein Prequel, es wird also an beide Enden der Story angeknüpft. Chronologisch spielt das GameCube-Abenteuer von Samus Aran nach dem ersten Teil 'Metroid' für das NES, allerdings noch vor dem zweiten Teil, 'Metroid II' für den Game Boy.

Samus wurde von den Chozo, einer vogelähnlichen Rasse, aufgezogen. Auf dem Planeten Tallon IV haben sich auch einige der technologisch hoch entwickelten Chozo niedergelassen, um, im Gegensatz zu ihren Artgenossen, im Einklang mit der Natur zu leben. Nach einiger Zeit werden aus vielen von ihnen Seher und sie sehen einen großen dunklen Fleck auf ihrer Schicksalsbahn. Ein Asteroid schlägt auf Tallon IV ein und bringt eine bösartige Substanz namens Phazon auf den Planeten. In weiser Voraussicht hinterlassen die Chozo Informationen und Ausrüstung für den Auserwählten aus ihren Prophezeiungen und überlassen sich selbst ihrem Schicksal. Aber wieso der Auserwählte? Samus ist doch eine Frau!

Samus der weil quält sich auf einer Raumstation mit nicht wirklich konkurrenzfähigen Weltraum Piraten herum. Sie erfährt zum ersten mal was über das Phazon. Ein Hinterhalt sorgt dafür, dass sie ihre komplette Ausrüstung verliert.

Um den finsteren Plänen der Weltraum Piraten, die sich auf Tallon IV niedergelassen haben, entgegen zu wirken, fliegt Samus nach zu ihnen und landet, nach und nach findet sie heraus, dass die Chozo die Metroid erschaffen haben, dies blieb den Weltraum Piraten jedoch nicht unbekannt und so versuchten sie, den mittlerweile verlassenen Planeten zu plündern bzw. ihn für ihre Testzwecke zu missbrauchen.

Ein harter Kampf beginnt für Samus, denn sie trifft unter anderem auf alte Bekannte, so unter anderem auch auf Ridley, der Kommand der Weltraum Piraten, der in Samus' Jugend die Kollonie, in der Samus lebte, zerstörte und ihre Eltern dabei töte, nur sie überlebte und wurde von den Chozo aufgezogen.

Zum Ende des Spiels erweißt sich ein neuer Feind als "im Wegsteher". Metroid Prime, ein riesiges durch Phazon mutiertes Metroid stellt sich Samus in den Weg, doch sie tritt ihm mit dem neuen Phazon-Beam entgegen und gewinnt, der Ausgang des Spiels bleibt aber offen.