Le Paléolithique inférieur s'étend d'environ 1,8 million d'années à 300 000 ans avant J.-C. Cette période voit l'arrivée et l'évolution d'Homo erectus en Europe, puis l'émergence d'Homo heidelbergensis, ancêtre probable de Néandertal.

Les sites archéologiques majeurs de cette période en France incluent Tautavel (Pyrénées-Orientales), où fut découvert l'Homme de Tautavel daté de 450 000 ans, et d'autres sites révélant une occupation humaine précoce du territoire.

Les outils caractéristiques de cette période sont les bifaces (outils taillés sur les deux faces) et les choppers (galets aménagés). La maîtrise du feu apparaît vers 400 000 ans, révolutionnant les modes de vie et permettant l'occupation de milieux plus froids.

Le Paléolithique moyen (300 000 - 40 000 ans avant J.-C.) est marqué par l'apogée et le déclin de Néandertal (Homo neanderthalensis) en Europe. Cette période voit le développement de techniques de débitage sophistiquées, notamment le débitage Levallois.

Néandertal colonise progressivement le territoire français, s'adaptant aux climats glaciaires et interglaciaires. Les sites néandertaliens sont nombreux : grotte de Bruniquel, grotte du Lazaret, grotte de la Quina, grotte de Combe-Grenal.

Les outils moustériens (du site de Le Moustier) caractérisent cette période. Néandertal développe des stratégies de chasse complexes pour le gros gibier (mammouths, rhinocéros laineux, bisons) et maîtrise parfaitement le feu.

Le Paléolithique supérieur (40 000 - 12 000 ans avant J.-C.) débute avec l'arrivée d'Homo sapiens en Europe et coïncide avec le déclin puis la disparition de Néandertal vers 30 000 ans.

Cette période est marquée par des innovations techniques majeures : production de lames, utilisation de l'os et de l'ivoire, et surtout l'émergence d'un art pariétal et mobilier exceptionnel. Les grottes ornées (Chauvet, Lascaux, Niaux) témoignent du génie artistique d'Homo sapiens.

Les cultures successives (Aurignacien, Gravettien, Solutréen, Magdalénien) se distinguent par leurs techniques, leurs styles artistiques, et leurs modes de vie. Le Paléolithique supérieur voit l'apogée de l'art préhistorique et le développement de sociétés complexes de chasseurs-cueilleurs.