El Paleolítico inferior abarca desde los 600.000 a los 100.000 años. Es un periodo mal conocido, en el que lo más destacable son los restos de los presápiens y homínidos encontrados en Atapuerca. Se distinguen tres etapas: la pebble tools (herramientas de guijarro) es la más antigua, la abevilense (o chelense) y la achelense. Es destacable la industria lítica, propia de cazadores, encontrada en el interfluvio del Manzanares y el Tajo; y la de las orillas del Guadalquivir, del periodo achelense. Las culturas de este periodo son notablemente semejantes a las africanas de la misma época, lo que permite sospechar una inmigración desde el norte de África. Es de suponer que el homínido de este periodo fuese el pitecántropo.

     El Paleolítico medio abarca desde los 100.000 a los 35.000 años. Es el periodo del neandertal del que se encuentran restos en los Pirineos, Levante y Andalucía. El hombre de neandertal fue un homínido cazador y nómada que habitó en cuevas. Los restos corresponden al periodo musteriense y se caracterizan por la variedad de los utensilios que manejan; en los que destaca su funcionalidad, cada herramienta sirve para una tarea concreta. También se encuentran vestigios de ritos funerarios, como los encontrados en la cueva Morín, en Santander.

     El Paleolítico superior va desde los 35.000 a los 10.000 años. Es el periodo del Homo sápiens-sápiens, de tipo cromañón. Este fue ser humano que dejaría las pinturas rupestres, o en tablillas, y que maneja un utillaje muy complejo, propio de cazadores. Se distinguieron dos zonas: la franja norte, de Gerona a Asturias, en las que se diferencian tres o cuatro culturas, y tienen ramificaciones en el sur de Francia; y la zona de Levante, aunque hoy en día no se considera debido a las múltiples influencias que debieron existir.

     En el Paleolítico superior, el de mayor número de culturas, se distinguen, en España, cuatro periodos: el auriñaciense, caracterizado por la vivienda troglodita, la industria funcional y el arte rupestre, junto a la escultura votiva, como las venus, muy decorada; el gravetiense, que se caracteriza por la vivienda en cuevas junto a viviendas artificiales, la caza de grandes animales y la abundancia de puntas de flecha; el solutrense, que se caracteriza por un nuevo tipo de talla en la piedra, mucho más plana y con agujeros, y también se trabaja el hueso y la madera, en los que se pueden encontrar utensilios muy finos; y el último periodo es el magdaleniense que es el de la industria ósea por excelencia, además del gran desarrollo que tuvo la pintura rupestre y la pintura sobre placas, como las encontradas en la cueva de Altamira. Este es un periodo caracterizado por el alto nivel de las comodidades en la vida cotidiana, sobre todo en la vivienda, también troglodita, en las que se hallamos restos de luz en las cavernas y gran número de adornos. Destacan las cuevas de Altamira.

El yacimiento de la sierra de Atapuerca

     A comienzos de este siglo la construcción de un ferrocarril minero cortó las calizas de la sierra, sacando a la luz varios de los depósitos fosilíferos originados por el relleno de las antiguas cuevas. De los yacimientos de la trinchera del ferrocarril, dos de los más importantes son los conocidos como Galería y Gran dolina. Además de los yacimientos de la trinchera, existen otros que se encuentran aún en el interior de las viejas cuevas. El más importante de ellos es el conocido como la sima de los Huesos, situado en el interior de la cueva mayor de Ibeas.

     Los fósiles humanos de la sima de los Huesos presentan una serie de rasgos que comparten con los neandertales, lo que los relaciona con ellos. Ahora sabemos, por ejemplo, que varias de las llamadas especializaciones esqueléticas de los neandertales estaban ya presentes, desde hacía mucho tiempo, en sus antepasados europeos del Pleistoceno medio. En otra serie de rasgos, los homínidos presentan la misma morfología que los africanos más primitivos. Todo ello nos permite asegurar que los hombres de la sima de los Huesos y sus contemporáneos europeos del Pleistoceno medio eran los antepasados de los neandertales, que vivieron durante el Pleistoceno superior. Ambos tipos humanos formaban parte de una misma línea evolutiva, continua y exclusiva del continente europeo. A pesar de ello, las diferencias entre ambas formas son suficientes como para darle a cada una un nombre específico distinto: Homo heidelbergensis para los hombres del Pleistoceno medio europeo y Homo neandertalensis para los neandertales del Pleistoceno superior.

     Por otro lado, los fósiles de la sima de los Huesos comparten ciertos rasgos craneales tanto con los neandertales como con el hombre moderno (Homo sápiens), pero que están ausentes en el Homo erectus asiático, lo que refuerza la hipótesis según la cual los neandertales y el hombre moderno tuvieron, en tiempos remotos, un antepasado común. Pero, ¿quién fue ese antepasado común? La respuesta está en los fósiles humanos de la Gran dolina. Estos fósiles presentan una combinación de rasgos craneales, mandibulares y dentales que han permitido atribuirlo a una nueva especie humana: el Homo antecessor. Entre otras cosas, la morfología facial de Homo antecessor de hace 800.000 años es como la de Homo sápiens, que aparece tan solo hace 200.000. La nueva especie, Homo antecessor, podría constituir el último antepasado común entre neandertales y humanos modernos.