מאז התפצלות ההומינינים מענף השימפנזה לפני מספר מיליוני שנים ועד להתפצלות של ענף האדם הניאנדרטלי לפני כחצי מיליון שנה, לא שרד גנום אחר כלשהו שניתן להשוותו לגנום האדם בן-ימינו. לכן, למרות החידושים מתחום הגנטיקה האבולוציונית, גם כיום חקר האבולוציה של האדם במשך תקופה זו מסתמך בעיקר על גילויים של שרידים מאובנים. חקר המאובנים מראה על קיומה של שושלת מסועפת שממנה מוכרים כיום 9 עד 24 (תלוי באופן הסיווג) מינים ידועים של הומינינים. הסיווג נעשה באמצעות תכונות אנטומיות, כמו גודל המוח, הניתן למדידה על ידי הנפח הפנימי של חלל הגולגולת, ומורפולוגיית השלד והשיניים. את מרבית המאובנים ניתן לתארך באמצעות מגוון שיטות תארוך פיזיקליות, ולכן ניתן להדגים שתכונות אלו התפתחו באופן רציף במשך תקופה ארוכה. ואולם, בשל ריבוי המינים, הדמיון הרב ביניהם וצורתו המסועפת של עץ המשפחה של האדם, קשה מאוד לקבוע במדויק איזה מין התפתח מאיזה מין אחר. במשך תקופות ארוכות באבולוציה של האדם התקיימו מספר מיני הומינינים באותו זמן, ולעיתים אף חיו זה לצד זה, אך גם קיום שני מינים בו-זמנית אינו פוסל את האפשרות שאחד מהם התפצל מהשני.
אבות קדמונים באפריקה של המיוקן והפליוקן.
כל המחקרים הגנומיים בשנים האחרונות מעריכים שהאב הקדמון המשותף האחרון לאדם ולשימפנזה חי באפריקה בסוף עידן המיוקן ובתחילת עידן הפליוקן, כ-8 מיליון עד 4 מיליון שנה לפני זמננו, ושהאב הקדמון המשותף לאדם, השימפנזה והגורילה קדם לו בכמיליון עד 2 מיליון שנה. ואולם במשך זמן רב לא ניתן היה לקבל אישוש לכך ברשומות המאובנים, משום שלא התגלה באפריקה אף מאובן של קוף אדם או הומינין מן התקופה שבין 13 מיליון ל-4 מיליון שנה לפני זמננו. חוקרים אחדים אף הציעו כמועמדים חלופיים כמה מקופי האדם שהיו נפוצים בתקופה זו בדרום אירופה, כמו דריופיתקוס מצרפת ואורנופיתקוס מיוון. אולם נראה כי הסיבה להיעדר הממצאים הייתה מלאכותית ונעוצה בעיקר במיעוט מחקרים לחיפוש מאובנים באפריקה יחסית לאירופה. מכל מקום, בשנים האחרונות פורסמו מספר מאובנים אפריקניים חשובים מהתקופה המדוברת, אף כי הם עדיין נדירים מאוד.
שיני קוף אדם שהתגלו בקניה ב-2007 קיבלו את השם נאקאליפיתקוס "Nakalipithecus", והן מתוארכות לגיל של כ-10 מיליון שנה. מסוף המיוקן ותחילת הפליוקן התגלו באפריקה ארבעה מינים: סהלאנתרופוס צ'אדנזיס מצ'אד מלפני 6 מיליון עד 7 מיליון שנה, אורורין טוגננסיס מקניה מלפני כ-6 מיליון שנה, ושני מינים של ארדיפיתקוס מאתיופיה – ארדיפיתקוס קדבה מלפני 5.5 מיליון שנה וארדיפיתקוס רמידוס מלפני 4.4 מיליון שנה. אך פרט לרמידוס כל הממצאים האלו חלקיים מאוד, ולכן לא ברור עדיין טיב היחסים ביניהם, מי מהם קופי אדם, מי מהם הומינינים ומי מהם מייצג את הפיצול לענפי הגורילה והשימפנזה, אם בכלל. סביר גם שהתקיימו באותה תקופה מינים נוספים בלתי מוכרים, ואם כך ייתכן שהאבות הקדמונים המשותפים לאדם ולקופי האדם האפריקניים עדיין לא התגלו.
ארדיפיתקוס וההזדקפות על שתיים.
מאובני ארדיפיתקוס רמידוס, ובעיקר שלד הנקבה הידועה בכינוי הפופולרי "ארדי", היא תגלית מבין החשובות ביותר בחקר האבולוציה של האדם בשנים האחרונות. על פי הסברה, ארדי השתייכה לענף ההומיניני מייד לאחר התפצלותו מענף השימפנזה, והיא שופכת לראשונה אור על תהליך ההזדקפות על הרגליים האחוריות. כפות הרגליים של ארדי דומות עדיין לאלו של קופים וקופי אדם – הן בעלות בוהן לופתת נפרדת משאר האצבעות בדומה לאגודל של כף יד – אבל חלקו העליון של האגן שלה הוא כבר ב"צורת קערה", בדומה לאגן האנושי המותאם להליכה על שתיים. שחזור השלד הוליך למסקנה כי ארדי נעה בשתי צורות שונות: בצמרות העצים היא טיפסה על ארבע כפותיה ומעל הענף, בדומה לקופי מקוק ובבון בני-ימינו ובניגוד לקופי האדם בני ימינו, הנתלים מהענף כלפי מטה ומתקדמים בתנופות זרוע, בעוד שעל הקרקע היא הלכה זקופה על רגליה האחוריות, אך בניגוד לבני אדם בוהן הרגל שלה הייתה פשוטה הצידה, ושימשה לשמירת שיווי משקל. סביר שהתנועה הדו-רגלית של ארדי הייתה הרבה פחות יעילה ומהירה מההליכה והריצה של האדם, ונראה שהיא בילתה רק חלק מזמנה על הקרקע, ובשעת סכנה נמלטה מייד אל העץ הקרוב.
ממצאים מאובנים רבים מאתר הגילוי של רמידוס מראים שהוא חי בבית גידול מיוער, וסותרים השערות מקובלות מהמאה ה-20 לפיהן ההזדקפות על שתיים החלה כהסתגלות לחיים בסוואנה האפריקנית. על פי השערת ה"פרנסה הזכרית" (male provisioning) של הפלאואנתרופולוג אוון לבג'וי (C. Owen Lovejoy), הליכתו הזקופה של רמידוס התפתחה כהתאמה לנשיאת מזון בידיים אל הנקבות והצעירים, במקביל להתפתחות מונוגמיה בענף האדם. גם קופי אדם מודרניים הולכים לעיתים על שתיים כאשר הם נושאים מזון בזרועותיהם, אבל הזכרים שלהם אינם מונוגמיים ואינם דואגים לצאצאיהם, פרט לגיבונים. להשערתו של לבג'וי, התפתחות מונוגמיה ונשיאת מזון בזכרי רמידוס אפשרה להביא מספר גדול יותר של צאצאים לבגרות, ובשל כך היה לה יתרון ברירה חזק.
האוסטרלופיתקנים והיציאה לסוואנה.
במחצית תקופת הפליוקן, האקלים הגלובלי של כדור הארץ הפך קר ויבש יותר, וככל הנראה גרם להכחדת קופי האדם שעדיין נותרו בצפון-אסיה ובאירופה. גם באפריקה הצטמצמו שטחי היער, מה שהעניק יתרון להומינינים הולכים על שתיים, שיכלו לנצל שטחים פתוחים יותר, מכיוון שהליכה על שתיים חסכונית בהרבה מבחינת צריכת אנרגיה ומסייעת לצלוח הליכות ארוכות בין מקורות מים מרוחקים. האוסטרלופיתקנים היו נפוצים במזרח אפריקה ודרומה במהלך הפליוקן ותחילת הפלייסטוקן, כארבעה מיליון עד מיליון שנים לפני זמננו. סביר שהם התפתחו מארדיפיתקוס רמידוס, שקדם להם רק בכמה מאות אלפי שנים, או אולי ממין דומה של ארדיפיתקוס או אורורין. האנטומיה של האוסטרלופיתקנים מוכרת היטב מהשלד המפורסם של "לוסי" ומאובנים רבים אחרים. הם הלכו זקופים על שתיים, ובניגוד לארדיפיתקוס כף הרגל שלהם כבר הייתה כמעט מודרנית בצורתה, עם קשת כף-רגל ובוהן קרובה לשאר האצבעות, כפי שניתן לראות בעקבותיהם שהתאבנו באתר לייטולי. ואולם, האוסטרלופיתקנים עדיין שמרו על יכולת מסוימת של טיפוס על עצים, כפי שניתן להסיק מזרועותיהם השוות באורכן לאורך הרגליים, אצבעותיהם הארוכות והמעוקלות, ותכונות שלד נוספות האופייניות לקופי אדם. הם חיו באזורים פתוחים יחסית, סוואנה וחורש, וקרוב לוודאי שבדומה לקופים החיים כיום בסוואנה האפריקנית הם בילו את רוב זמנם על הקרקע ומצאו שם את מזונם, אך לנו על עצים בלילה כמחסה מפני טורפים.
נפח מוחם של האוסטרלופיתקנים היה 350 עד 500 סמ"ק, כלומר עדיין כנפח מוח קוף אדם או רק במעט גדול יותר. סביר להניח שבדומה לשימפנזים בני ימינו הם השתמשו בכלים פשוטים כמו מקלות ואבנים בלתי מעובדות. ייתכן שכמה אוסטרלופיתקנים אף סיתתו אבנים באופן גס. כלי האבן המסותתים העתיקים בעולם הם בני 2.6 מיליון שנה ונמצאו באתיופיה באתר המיוחס לאוסטרלופיתקוס גרהי.
כיום מוכרים מרשומות המאובנים לפחות חמישה מינים של הסוג אוסטרלופיתקוס. שלושה מינים נוספים מופרדים לעיתים לסוג פראנתרופוס, שכן הם מתייחדים במבנה גוף חסון יותר עם לסתות מפותחות ושיניים טוחנות גדולות, הרומזות על התמחות בלעיסת מזון צמחי. האחרונים שבהם המשיכו להתקיים בתחילת הפלייסטוקן במקביל למיני האדם שהתפתחו מהם, אך נראה שלבסוף לא עמדו בתחרות ונכחדו לחלוטין לפני כמיליון שנה.
מיני אדם קדומים והגידול בנפח המוח.
כמעט כל החוקרים כיום מסכימים שסוג האדם ("Homo") התפתח מהאוסטרלופיתקנים לפני קצת יותר משני מיליון שנה, אך עדיין לא ברור היכן בדיוק ומאיזה מין. המאובנים העתיקים ביותר שהתגלו מסוג האדם משויכים לרוב למינים הביליס ורודולפנסיס. הם חיו באפריקה לצד מיני אוסטרלופיתקוס ופראנתרופוס, אך הם היו בעלי מוח מעט יותר גדול, בין 510 ל-750 סמ"ק, פנים ולסת פחות בולטות, ניבים קטנים יותר, ובמבט מלמטה שורת השיניים שלהם היא בצורת קשת (פרבולה) ולא בצורה מרובעת. למרות הבדלים אלו הם עדיין כה דומים לאוסטרלופיתקנים בצורת הגולגולת שלהם ובפרופורציות הגוף, עם זרועות הדומות באורכן לרגליים, עד כי מספר פלאואנתרופולוגים סבורים שיש לכלול אותם בסוג אוסטרלופיתקוס. מאובני הביליס ורודולפנסיס מתגלים לרוב בסמוך לכלי אבן מסותתים מהתרבות האולדובאית ועצמות בעלי חיים שעליהן סימנים טיפוסיים של חיתוך וריסוק.
הומו ארקטוס האפריקני, המסווג לעיתים כהומו ארגסטר, התפתח לראשונה במזרח אפריקה לפני כ-1.7 מיליון שנה, ככל הנראה מהביליס או רודולפנסיס, והוא המין הראשון השייך ללא עוררין לסוג האדם. בדומה לאדם בן ימינו, הרגליים שלו ארוכות מן הזרועות, שלד הגוף שלו כמעט מודרני בגודלו ובצורתו, וכל ההתאמות העתיקות לטיפוס על עצים נעלמו ממנו לחלוטין. נפח המוח שלו בין 800 ו-900 סמ"ק, גדול משמעותית משל קודמיו, אך עדיין קטן משמעותית מזה של האדם המודרני. ארקטוס היה ככל הנראה המין הראשון שהשתמש באש ופיתח את התעשייה האשלית – הטכניקה הראשונה של ייצור כלי אבן שדרשה סיתות שיטתי ומוקפד של טיפוסי כלים תקניים, כמו אבן היד.