任天堂としては初めてとなるハードなSFの世界観を持った作品。遠距離攻撃（ビーム）を主要アクションにしたジャンプアクションゲームで、ダンジョンを進みながらアイテムや通路を探し当てる探索要素を大きな特徴としている。エンディングではプレイヤーキャラの正体が明かされる。以後に直系の続編作品が多数発売、シリーズ化がされている。
プレイヤーはサムスを操作。十字キー左右で移動し、Aボタンでジャンプ、Bボタンで各種攻撃ができる。また十字キー上で銃口を上に向けることができ、アイテム「丸まり」を入手すると十字キー下で丸まって移動できる。さらにミサイルを入手するとセレクトボタンでビームとミサイルの切り替えができる。スタート時のサムスは、エネルギー（ライフ）が少ない、ビームの射程が短い、足元が攻撃できないなど貧弱であり、またアイテムを入手しなければ進めない場所もあるため、様々なアイテムを手に入れ、自らを強化しながら進まなければならない。エネルギーが無くなるとゲームオーバー。ゲームオーバー時と裏技的にコマンドを入力することで途中セーブが可能だが、『ゼルダの伝説』と同じくスタート時は必ずスタート地点、ライフは少ない状態でスタートする。
惑星ゼーベスは3つ、細かく分けると5つのエリアで構成され、各エリア内は多くのゲートで区切られている。エリア間の移動にはエレベーターを利用する。最初から進めるのは岩と硫酸の地帯であるブリンスタと火炎地帯のノルフェアであり、この2つのエリアを行き来しながら道を探し当て、アイテムを集めていく。両エリアの深部には、ブリンスタにはクレイド、ノルフェアにはリドリーというボスキャラクターが待ち受けており、この2体を倒すことで基地エリアのツーリアンへの扉が開かれ、最奥部に待ち受けるマザーブレインを倒し、惑星ゼーベスから脱出することでゲームクリアとなる。
続編と比較して、進める道が明確になっていない上にマップも存在せず、初プレイ時は手探りで通路やアイテムを探し当てる必要がある点からプレイ時間が長くなりがちだが、壁や床の向こう側に繋がっている小さな穴やダメージトラップにカモフラージュされている隠し通路の先にある隠しアイテムなど、思わぬ箇所に繋がっているマップ構造を理解してからはプレイ時間は劇的に短縮される。開発者もこれを予想してか、短いプレイ時間でクリアすることでエンディングでサムスがパワードスーツを脱いで正体が女性であることを明かすものになるという隠し要素がある。このような「早解き」は以降の2Dメトロイドシリーズやメトロイドプライムなどの3Dシリーズでも定番の遊び方となっている。