התרבות האשלית המאוחרת.
רוב האתרים מהתקופה הפלאוליתית הקדומה משתייכים לתרבות האשלית. ברבים מהם נתגלו שרידי פילים ביחד עם כלים מצור ובזלת. בתרבות זו יש שפע של אבני יד בעלות צורת לב או צורה סגלגלה. אתרים בולטים של התרבות הם מחצבת רבדים, חולון, מערת טבון בנחל מערות, מערת אום קטפה בנחל חריטון, מעין ברוך, ואתר ליד קיבוץ עברון.
התרבות האשלו-יברודית.
בשלהי התקופה הפלאוליתית התחתונה, בין 400 ל-250 אלפי שנה לפני זמננו, הופיעה התרבות האשלו-יברודית. לתרבות זו כנראה משתייך בין השאר האתר בבריכת רם שברמת הגולן, שבו נמצאה "ונוס מברכת רם", שיש הרואים בה את הייצוג העתיק ביותר של דמות אנוש. מאובן אדם מתקופה זו הוא איש הגליל - שבר גולגולת שהתגלה על ידי פרנסיס טרוויל-פיטר במערת זוטייה שבנחל עמוד, נוטים לסווג אותו כהומו היידלברגנסיס או הומו ספיינס ארכאי. אתרים אשלו-יברודיים בולטים הם מערת טבון בנחל מערות ומערת קסם.
התקופה הפלאוליתית התיכונה.
תקופה זו, השלב התיכון של תקופת האבן הקדומה, מתוארכת בין השנים 250,000 - 48,000 לפני זמננו. מתקופה זו נמצאו בארץ מאובני האדם הניאנדרטלי והאדם הנבון (הומו-ספיינס). טיפוס נוסף, הומו נשר רמלה, הוגדר ב-2021. מאובני האדם הנבון בארץ-ישראל נמנים עם בני האדם המודרניים (מבחינת אנטומית השלד שלהם) העתיקים ביותר שנמצאו מחוץ לאפריקה. לא ברור עדיין אם הניאנדרטלים ובני האדם המודרניים חיו זה בצד זה, או שהם השתלטו על הארץ לסירוגין, אולי בעקבות תנודות האקלים הגלובלי שאפיינו את תקופת הפלייסטוקן, אך ידוע שהם השתמשו באותה תרבות כלי-אבן - התרבות המוסטרית. שרידי תרבות זו נמצאו מהנגב ועד הגולן, בעשרות אתרים במערות וכן תחת כיפת השמיים. על פי גודל האתרים ותכולתם נמצא שאוכלוסיית הארץ הייתה דלילה. החבורות היו קטנות והתקיימו על צייד, אכילת נבלות ולקט של צמחי בר. בעלי החיים העיקריים שניצודו היו צבי ארצישראלי, יחמור פרסי ובקר-בר. באתרי המערות בארץ ששימשו למגורים עונתיים נחשפו עשרות שלדים קבורים. שלדי האדם הנבון המפורסמים ביותר הם ממערת הגדי בנחל מערות ומערת הקפיצה (קפזה) בגליל התחתון, והשלדים הניאנדרטלים נמצאו במערת טאבון שבנחל מערות, במערת כבארה ליד זכרון-יעקב, ובמערת עמוד שבנחל עמוד. אתרים בולטים נוספים הם מערת מיסליה, ומערת היונים ומספר אתרים קטורים (פתוחים) בגולן, בנגב ובמישור החוף, כגון נשר רמלה.
התקופה הפלאוליתית העליונה.
תקופה זו בארץ ישראל מתוארכת בין השנים 46,000 עד 20,000 לפני זמננו ומציינת את תרבותו של האדם המודרני בשלב המאוחר של תקופת האבן הקדומה. בראשיתה יש אתרים ספורים כבוקר תחתית ומערת אמירה. השלב הקדום של התקופה מחולק לשתי תרבויות: התרבות האחמרית והתרבות האוריניאקית, שמופיעות בסדר זה באתרים ספורים (למשל במערת מנות בגליל המערבי). בתקופה זו נמצאו מספר חידושים טכנולוגיים כגון שיטות סיתות כלי הצור, המצאת חץ וקשת וכן בייצור כלי אבן לכתישת מזון ולהכנת צבעים. האדם החל לייצר כלים גם מעצמות בעלי חיים והשימוש בקונכיות לקישוט נעשה נפוץ הרבה יותר. באתרים השונים נמצאו חלקי שלדים, אבל לא נמצאו בתי קברות מתקופה זו. נראה כי בתקופה זו נכחד האדם הניאנדרטלי בארץ - ישראל, במקביל להיעלמותו משאר אזורי המזרח התיכון ומאירופה.
התקופה האפיפלאוליתית.
בתקופה הזאת, המגשרת בין חברות הציידים-לקטים הניידות של תקופת האבן הקדומה לבין הכפרים החקלאיים של התקופה הנאוליתית, התקיימו באזור הים תיכוני של ארץ ישראל שלוש תרבויות: התרבות הכבארית מתוארכת לשנים 18,000 - 12,500 לפנה"ס. והתרבות הכבארית הגאומטרית מתוארכת לשנים 12,500 - 10,500 לפנה"ס, והתרבות הנאטופית בין השנים 10,500–8500 לפנה"ס (תיארוך פחמן 14 לא מכויל).
התרבות הנאטופית משכה את תשומת הלב המחקרית בשל היותה תרבות הציידים-לקטים האחרונה, על מפתן המהפכה הנאוליתית וראשוני החקלאים. התרבות החומרית הנאטופית הייתה עשירה והיא משקפת שינויים מרחיקי לכת במבנה החברתי והכלכלי של אוכלוסיות פרהיסטוריות. שרידיהם מלמדים על חברה מורכבת ונייחת. יישובים נאטופיים התגלו בכל ארץ ישראל, אך האתרים הגדולים והעשירים ביותר נמצאו בכרמל ובגליל, כגון מערת הנחל בנחל מערות ונחל אורן בכרמל, מערת היונים בגליל המערבי ועינן בעמק החולה. יש להבחין בין אתרי חניה קטנים ששטחם כמה עשרות ממ"ר, לאתרים עונתיים ששטחם כמה מאות ממ"ר ובין אתרי בסיס גדולים שיושבו במשך רוב השנה. ביישובים אלה התגלו יסודות של מבני מגורים מאבני גוויל וכן ממגורות לאחסון מזון. מבחר החפצים בהם השתמשו היו מגוונים יותר מאשר בתקופות שקדמו לתרבות זאת. כלי הצור העיקרי היה "הסהרון" כלי מאבן צור בצורת סהר קטן שנהגו לשלבו כסכין בידית מגל או כחוד של חץ. נעשה גם שימוש בכלים מעצמות של חיות. באתרים נחשפו גם כלים מאבן שנראו כמו קערות ועליים. בפעם הראשונה נמצאה בארץ ישראל תרבות אשר השקיעה זמן בפיסול וגילוף אומנותיים. נמצאו ידיות מגל מעוטרות בראשי חיות שנעשו מקרניים ומעצמות בעלי חיים. נמצאו גם צלמיות שנעשו מקרן, אבן ועצם.
השינוי באורחות החיים של הנאטופים בא לידי ביטוי גם ביחס לקבורות המתים. בחפירות נמצאו בתי קברות במערות ובאתרים מחוץ למערות. מספרם הרב של השלדים שנמצאו מעידים על התיישבות ממושכת ואולי רציפה באתרים אלה.
התקופה הנאוליתית.
התקופה הנאוליתית מתוארכת בין השנים 10,000 ועד 4500 לפנה"ס לערך. התקופה מתחלקת למספר תקופות משנה.
נאוליתית קדם קרמית א' (PPNA).
תקופה זו מתוארכת בין השנים 10,000 לפנה"ס ועד 9000 לפנה"ס. זו תקופת המעבר מחברת ציידים-לקטים לחקלאות. בתקופה זו נמשך תהליך השינוי החברתי-כלכלי שהתחיל בסוף התקופה האפיפלאוליתית. בתקופה זו נוסדו הכפרים החקלאיים הראשונים בעולם. באתר גשר נמצאו שרידי בית מלאכה לייצור כלים מבזלת. יש גידול בשטחי היישובים לעומת התרבות הנאטופית שקדמה לה, הבתים נבנו עם קירות עגולים או סגלגליים. שינויים בארגון החברתי ובמפעלים ציבוריים כגון חומה ומגדל ביריחו וכן שינויים במכלול הכלים. תהליך זה לווה בהתפתחות דתית ופולחנית. בארץ נמצאו מספר אתרים מתקופה זו במספר אתרים זוהו שרידי אדם. במנהגי הקבורה נמצאה המשכיות לתקופה הקודמת. המתים נטמנו בחצרות או מתחת לרצפות הבתים על פי רוב בתנוחה מכווצת או מכווצת למחצה. אחד האתרים מתקופה זו נמצא ביריחו. אתרים נוספים נמצאו בנתיב הגדוד, אתר חתולה שליד לטרון שם נמצאו שלושה שלדים של מבוגרים בתנוחה מכווצת או מכווצת למחצה שרועים על גבם. שלד אחד היה ללא גולגולת. בנחל אורן שבהר הכרמל גם שם נחשפו שלדים בתנוחות מכווצות ועוד. באתרים מתקופה זו נמצאה כמו גדולה יותר של שלדי ילדים מאשר בתקופה שקדמה לה. ייתכן והדבר מצביע על עלייה בפוריות של הנשים כתוצאה מגורמים חברתיים כגון: התנהגות חברתית התומכת בריבוי תינוקות, לידות בגיל צעיר יותר ועוד.
נאוליתית קדם קרמית ב' (PPNB).
מתוארכת בין השנים 9000 לפנה"ס - 7000 לפנה"ס לערך. בתקופה זו התבססו הכפרים החקלאיים. החקלאות הופכת להיות הבסיס הכלכלי העיקרי של אנשי התקופה. הגידולים העיקריים הם דגניים וקטניות. בנוסף עזים וכבשים מבויתים החליפו חלקית את צייד חיות הבר. אחת ההתפתחויות החשובות הייתה המעבר ממבנים עגולים בתקופות קודמות למבנים מלבניים עם חדרים פנימיים. רצפות של בתים רבים כוסו בשכבות עבות של טיח שנוצר מכתישת אבני גיר ושריפתם. התפתחות זאת אופיינית לאזורים שבהם התבססה כלכלה חקלאית, יש גידול באוכלוסייה ולמשק הבית נוספו חיות מבויתות. השערת החוקרים היא שהשינוי נבע מהצורך להוסיף חדרים למשפחה המתרחבת. ההתפתחות בארץ ישראל הייתה חלקה מתמונת ההתפתחות במזרח התיכון כולו.
בתקופה זו חלה התפתחות טכנולוגית והחל ייצור של להבי צור בעלי פרופיל ישר. מלהבים אלה עוצבו להבי מגל אשר שימשו לקציר, ראשי חץ, מרצעים, מקדחים ועוד.
לא זוהה הבדל במנהגי הקבורה של תקופה זו לעומת התקופה הקודמת. הקברים נחפרו בין הבתים. התנוחה השלטת היא התנוחה המכווצת כשהרגליים כפופות אל הגוף והידיים מקופלות. שלדי תינוקות נמצאו לאורך בסיסי קירות הבתים וגם מתחת לסיפי הדלתות. באתר ליד כפר החורש נמצאו עצמות אדם בתוך בורות קבורה מתחת לרצפות טיח ביחד עם עצמות בעלי חיים כגון עזים כבשים ובקר. בכל האתרים נמצאו גם קבורות משנה בעיקר של שלדים ללא גולגולות וגולגולות ללא שלדים. ביריחו נמצאו גולגולות משוחות בטיח או בצבע, בחלק מהגולגולות הובלטו ארובות העיניים על ידי צדפות. גולגולות אלה הנקראות "גולגולות מכוירות" נמצאו גם בביסמון שבעמק החולה, במערת נחל חימר במדבר יהודה, בתל רמאד שבסוריה עין ע'זאל שבעמק הירדן המזרחי ועוד. ניתוק הגולגולת מהגופה היה מקובל כבר בתקופה הנאטופית ונמשך גם לחברות שחיו בתקופה הנאוליתית, אולם רק בתקופה זו התווסף מימד הכיור ועיטור הגולגולת.
נאוליתית קדם קרמית ג' (PPNC).