Как и в предыдущих играх серии, действие Metroid Prime происходит в большом нелинейном мире, состоящем из разных регионов, соединённых лифтами. Каждый регион состоит из множества комнат, разделённых дверями, открывающимися выстрелом из правильно подобранного оружия. Основы геймплея, это: решение загадок, поиск секретных областей, прыжки по платформам и перестрелки с врагами. В последнем случае хорошо помогает игровой механизм захвата цели, позволяющий маневрировать вокруг врага, держа его на мушке. Хотя большую часть времени в игре используется вид от первого лица, в режиме Morph Ball — когда Samus сворачивается в клубок — камера переключается на вид от третьего лица.
Протагонист, Samus, исследует игровой мир в поисках Артефактов Чозо, которые могут открыть доступ в зону падения метеорита, содержащего Фазон. Во время поисков игрок находит различные улучшения, позволяющие проникнуть в прежде недоступные места. Например, костюм Varia Suit имеет защиту от высоких температур, позволяя передвигаться в зоне вулканов. Некоторые из предметов могут быть получены в схватках с боссами и мини-боссами, встречающимися во всех регионах, кроме Пещер Магмура.