Przed sezonem 2023/2024 w drużynie zaszły duże zmiany. Klub opuścili: Wadym Patratij, Serhij Riabow, Heorhij Kłepko, Taras Ołeksiuk, Dmytro Szorkin oraz Ołeksandr Tomilin. Do zespołu dołączyli natomiast Horden Browa, Serhij Jewstratow, Dmytro Teriomenko, Dmytro Wijecki oraz dwaj zagraniczni zawodnicy: Polak Dawid Dryja oraz Serb Mihajlo Stanković. Pierwszym asystentem trenera Andrija Łewczenki został Flavio Gulinelli. Pod koniec stycznia 2024 roku Gulinelli zastąpił Łewczenkę na stanowisku głównego trenera. W fazie zasadniczej Superligi Prometej wygrał wszystkie 16 meczów, dzięki czemu fazę play-off rozpoczął od półfinału. W półfinale pokonał w serii do dwóch zwycięstw Jurydyczną akademіję. W finale po raz kolejny spotkał się z Epicentrem-Podolany. W serii do trzech zwycięstw wygrał z drużyną z Gródka 3-1, zdobywając drugi z rzędu tytuł mistrza Ukrainy. Z Epicentrem-Podolany Prometej spotkał się także w meczu o superpuchar oraz w finale krajowego pucharu. Oba spotkania przegrał odpowiednio 1:3 i 2:3. W sezonie 2023/2024 Prometej uczestniczył w kwalifikacjach do Ligi Mistrzów. W I rundzie kwalifikacyjnej zajął 1. miejsce w grupie, pokonując kolejno zespoły Hypo Tirol Volleyballteam, Ford Levoranta Sastamala oraz Draisma Dynamo Apeldoorn. II rundę kwalifikacyjną zakończył na 3.