Depuis Super Metroid, les fans de la série attendaient une suite. Il avait été prévu de produire sur Nintendo 64 ou sur le Nintendo 64DD, et bien qu'un jeu ait été mentionné, la production n'a jamais commencé. Le développeur Shigeru Miyamoto a expliqué que c'était à cause du fait que Nintendo « n'avait pas d'idées concrètes. »
Metroid Prime a été développé en collaboration avec Retro Studios et des membres importants de Nintendo EAD et de R&D1. Retro Studios a été créé en 1998 par une alliance entre Nintendo et l'ancien fondateur d'Iguana Entertainment, Jeff Spangenberg. Après avoir établi ses bureaux à Austin, au Texas, en 1999, Retro reçoit cinq idées de jeux pour la future console GameCube, dont une idée pour un nouveau volet de Metroid, bien qu'ils n'aient pas les kits de développement. Des membres de Nintendo, comme Shigeru Miyamoto, Kensuke Tanabe, et Kenji Miki, ainsi que le designer de Metroid, Yoshio Sakamoto, communiquent avec le studio du Texas via des courriers électroniques, des coups de téléphones mensuels, et des réunions. Le jeu est au départ censé avoir une vue à la troisième personne, mais après l'intervention de Miyamoto, cette idée est abandonnée en faveur de la perspective à la première personne, ce qui provoque le rejet de la quasi-totalité de ce qui a déjà été développé. Une des raisons de ce changement sont les techniques de Rare de vue à la troisième personne dans Jet Force Gemini, que les développeurs de Metroid Prime ne trouvent pas suffisamment intuitives. Les développeurs du jeu ont aussi trouvé que l'exploration est mieux mise en valeur dans une perspective subjective. Le directeur du jeu, Mark Pacini, annonce que Retro essaye de créer le jeu de façon à ce que les seuls moments difficiles soient les combats contre les boss, pour que les joueurs n'aient pas « peur d'explorer, » car « le défi du jeu est d'y trouver son chemin. »
« Nous ne voulions pas créer encore un autre jeu de tir subjectif. [...] Créer un jeu de tir subjectif aurait été une solution radine et facile de développer le jeu. Mais nous voulions faire en sorte que les thèmes et les concepts de Metroid soient conservés. Et transformer ces choses en 3D fut un vrai défi. Par exemple, transformer la boule morphing en 3D a été une des choses les plus difficiles à faire. »
— Michael Kelbaugh, président de Retro Studios depuis 2003.
En 2000, trois jeux sont annulés pour que les développeurs se concentrent sur Metroid Prime, et en 2001, le quatrième autre projet (un RPG appelé Raven Blade) est annulé de façon à ce que Metroid Prime soit le seul jeu en développement. La première apparence publique du jeu est une vidéo de dix secondes sur SpaceWorld en 2000. À l'E3 de 2001, le jeu est officiellement annoncé par Nintendo, et reçoit des réactions partagées dû à sa nature tri-dimensionnelle et subjective.
Kenji Yamamoto, avec l'aide de Kouichi Kyuma, compose la musique de Metroid Prime. La bande originale du jeu contient des remix de pistes des jeux précédents de la série, car Yamamoto souhaite « satisfaire les vieux fans de Metroid. C'est comme un cadeau pour eux. » La musique de la Surface de Tallon est un remix de la musique de Brinstar dans Metroid, et celle des Cavernes du Magmoor est un remix d'une musique de Super Metroid. Tommy Tallarico Studios a aussi participé au développement des effets sonores.
Kraid, un boss de Metroid et de Super Metroid, est censé faire une apparition dans Metroid Prime, et le designer Gene Kohler l'a développé et modelé dans ce but. Mais Kraid n'a pas été rajouté dû à des contraintes temporelles. Bien qu'un modèle béta l'affiche dans les Mines de Phazon, Kohler déclare qu'il n'a pas été remplacé par le Pirate Oméga.