כי מיעוט הממצאים ומיעוט האתרים מהתקופה נובע ממגבלות המחקר ולא משקף את עושר הפעילות של התקופה הכלקוליתית באזור ירושלים. ההנחה היא כי אנשי התקופה אכלסו מערות באזור הגיחון, כדי ליהנות משפע המים וההגנה של המסתור, כפי שנהגו ביישובים אחרים באותה תקופה - ביר אבו מטר ואחרים.
בפברואר 2016 התגלו בעת סלילת כביש בשכונת שועפט שרידי שני מבנים שאולי היו חלק מיישוב קדום מן האלף החמישי לפנה"ס.
תקופת הברונזה.
כרונולוגיה: 3500 – 1150 לפנה"ס
תקופת הברונזה במזרח התיכון החלה בשנת 3300 לפנה"ס בערך, עם העלייה בשימוש בברונזה לייצור כלים והעיור בשני המרכזים העיקריים של העולם העתיק - מצרים ומסופוטמיה. תקופת הברונזה מתחלקת במזרח התיכון לארבע תקופת: הקדומה, הביניימית, התיכונה והמאוחרת. סופה של תקופת הברונזה במאה ה-12 לפנה"ס לוותה בהגירה מסיבית שסימנה את תחילת תקופת הברזל.
תקופת הברונזה הקדומה.
כרונולוגיה: 3500 - 2200 לפנה"ס
ירושלים בתקופת הברונזה הקדומה היא - ככל הנראה - עיר פרזות, חלק ממארג התיישבות צפוף יחסית באזור ההר המרכזי, בו מתבססות ערים מבוצרות ובהן העי וירמות. ערים אלו היו מוקפות ביישובים לא מבוצרים ובהם העיר ירושלים, שבתקופה הנדונה הייתה לא יותר מיישוב חקלאי שהתרכז - ככל הידוע - בצדה המזרחי של שלוחת עיר דוד. היעדר מקורות היסטוריים כלשהם, העשויים לתאר את תולדות ירושלים, מותיר תקופה זו באפילה היסטורית. בעזרת השרידים הארכאולוגיים ניתן לשחזר בסכימתיות את דמותה. ירושלים של תקופת הברונזה הקדומה היא יישוב חקלאי קטן, חסר חשיבות פוליטית או כלכלית וללא מאפיינים הקיימים ביישובים עירוניים מרכזיים של התקופה. בחפירות שנערכו בעיר נמצא שפע יחסי של ממצאים ארכאולוגיים הפזורים לאורך כל האתר אך לא נמצאו כל עדויות לביצורים.
בעיר דוד נחשפו בחפירות משלחת פרקר בין השנים 1911-1909 3 מערות קבורה ובהם מספר רב של כלי חרס הדומים לכלים שנמצאו גם בתל העי ואתרים בולטים אחרים מהתקופה. החפירות שנערכו בשיטות "פרימיטיביות" פגמו ביכולת ללמוד מהממצאים אך חשיבותן נעוצה בעובדה כי אלו אתרי הקבורה היחידים מתקופת הברונזה הקדומה בירושלים. בחפירותיו של יגאל שילה בשטח שסומן E1 על המדרון המזרחי של עיר דוד נמצאו חלקים של שני בתים בעלי צורה מלבנית, שלאורך קירותיהם נבנו ספסלים. צורת בית זה אופיינית לתקופה, ודומים לו נמצאו באתרים אחרים בארץ ישראל. בחפירות של רוברט מקאליסטר ודנקן מקנזי נתגלו מספר ממצאים חשובים מתקופת הברונזה הקדומה ובהם טביעת חותם גליל על גבי שבר חרס. בחפירות אחרות זוהו שברי חרסים נוספים מהתקופה בשכבות מילוי מתקופות מאוחרות יותר.
תקופת הברונזה הביניימית.
כרונולוגיה: 2200 - 2000 לפנה"ס
תקופה זו, מאופיינת בשינוי דרסטי באופי הגאו-פוליטי של הארץ. בסוף תקופת הברונזה הקדומה ננטשו הערים והאזור נכנס לתקופה של נסיגה (סברות שונות לסיבת תהליך זה הן שינויי אקלים, שינוי דמוגרפי של האוכלוסייה, בזיזה חוזרת ונשנית ממצרים ואף התעייפות הערים ממלחמה אחת בשנייה). תושבי ארץ ישראל נוטשים את הערים המרכזיות ועוברים לחיי נוודות. על רקע היישוב הדל בולטים בתי הקברות הרבים שנתגלו בהקשר לתקופה זו. בירושלים נמצאו מספר בודד של ממצאים קרמיים ועיקר הממצאים מירושלים מהתקופה הם קברים שנמצאו בהר הזיתים בידי צ'ארלס וורן וקתלין קניון. קברים נוספים נמצאו בבית עניה ובסילואןכפר השילוח.
מסביב לירושלים נחשפו יישובים גדולים יחסית מהתקופה ובסמוך להם שדות קבורה, כלומר- תושבי ירושלים נפוצו לכל עבר ויישובים חקלאיים הוקמו בהרי ירושלים.
מלחה בחפירות שנערכו באתר הנמצא בשכונת מלחה, בסמוך לרחוב הקרוי היום "דרך אגודת הספורט הפועל", נמצאו שרידי יישוב פרזות מתקופת הברונזה התיכונה א'-ב'. היישוב כולל מבנה ציבורי שבחלקו המערבי נתגלו שתי מצבות פולחניות וספסל להנחת מנחות. ממערב למבנה הפולחני: בית חצר טיפוסי הכולל מערכת חדרים המקיפה חצר מרכזית, אשר בתוכה נתגלו מספר מתקני בישול ואפיה. במרכז נחשף בור שניכרים בו סימני חציבה, ובחלקו העליון נקברה כבשה מעוברת. מתוכנית האתר נראה כי היישוב היה מוקף במבנים כשהקירות החיצוניים משמשים כחומה. באחד משטחי החפירות נמצא מבנה שער שנשתמר חלקית, ובנייתו אופיינית לביצורים מהתקופה. החוקר ד"ר יצחק מייטליס מציין כי אופיים האחיד של המבנים מצביע על חברה בה המשפחה היא הגרעין החברתי הבסיסי וכי האוכלוסייה שאכלסה את האתר הייתה בעלת ארגון חברתי ברמה גבוהה ובעלת אופי עירוני.
בערימת סיקול, "רוג'ום", שכיסתה את האתר לפני החפירות, נתגלו ממצאים החל מהתקופה הכלקוליתית וממצאים נוספים המצביעים על רצף יישובי עד לתקופה הממלוכית.
הארכאולוג גרשון אדלשטיין מתאר את הגילוי של היישוב מתקופת הברונזה במלחה:
נחל רפאים בחפירות שנערכו באתר הסמוך לגן החיות התנ"כי נחשף יישוב גדול ששיטחו כ-290 דונם, לא מבוצר, שתחילתו בסוף תקופת הברונזה הקדומה ושיאו בתקופת הברונזה התיכונה. באתר נחשפו שרידי מבני מגורים, המהווים עדות ראשונה לשרידי ישוב קבע מתקופת הברונזה באזור ההר, וכן קברי פיר מתקופת הברונזה הקדומה ד'. המבנים נבנו בלבני בוץ שחלקן היה שרוף, שהונחו על גבי תשתית אבן. במרכז החדרים מופיעים בדרך כלל בסיסי עמודים.
מתקופת הברונזה התיכונה ב' נחשפו מבנים ששימשו בתי חווה ובסמוך להם מבנים ששימשו מכלאות לחיות ומתקנים חקלאיים אחרים. המבנים נבנו באבן. אחד המבנים נבנה על יסודות מוצקים במיוחד וייתכן ושימש כמקדש או מבנה ציבורי אחר. בין המבנים נחשפו קברים וקברי פיר. בחלק מהמקומות קיימת עדות לקומה שנייה. באתר נחשפו גם מערות לכריית חול ששימש בתעשיית כלי חרס. אתר זה הוא החשוב מסוגו בארץ ישראל, בשל ייחודו כמכלול בנוי מתקופת הברונזה התיכונה שאיננו חלק מתל. היישוב בנחל רפאים שונה מהותית מהיישוב במלחה ובולט בו חוסר התכנון הריכוזי. היישוב מפוזר על שטח רחב ובו מספר "גושי" בנייה לאורך קווי הגובה של הנחל. שטחם של רוב המבנים היה גדול מאוד - כ-600 מ"ר, וככל הנראה היה מיועד למגורי משפחה מורחבת ("חמולה"). צורת יישוב זו מתאימה לתסריט של התיישבות ספונטנית.
עלונה באזור עמק הארזים ערכה רשות העתיקות חפירות בשנת 1994, במהלכן נחשפו מבנים מתקופת הברונזה הביניימית. המבנים מרוכזים בחלקו העליון של המדרון והם - כנראה - חלק מכפר מהתקופה שבו הייתה בנייה צפופה. בחפירה נחשפו שרידיהם של שלושה חדרים מרובעים, ומבנה מלבני בגודל 9X12 מטר ממנו שרדו חלקי קירות. בנוסף נחשף מבנה מגורים מדורג. על גבי יישוב זה נחשף יישוב מתקופת הברזל - תופעה אופיינית ליישובים חקלאיים בסביבת ירושלים.
נחל זמרי בשכונת פסגת זאב באזור הרחובות משה רחמילביץ ושדרות משה דיין נחשף יישוב מתקופת הברונזה הביניימית ושרידים נוספים של יישובים מתקופות מאוחרות. היישוב מתקופת הברונזה התיכונה נמצא מתחת לטרסות מתקופת הברזל ונחפר באופן חלקי. היישוב היה - ככל הנראה - מרוכז על פני מספר טרסות ובחפירה בטרסות העליונות נחשפו שלוש יחידות מגורים בסמיכות אחת לשנייה - יחידה אחת גדולה ושתיים קטנות יותר. החופרים מציינים כי תוכנית המבנים איננה ברורה ואיכות הבניה נמוכה.
תל אל פול בחפירות שנערכו באתר, במורד המדרון המשתפל ממערב למזרח, נחשפה התיישבות מתקופת הברונזה התיכונה ב' בשני שלבים. השלב הקדום כולל שני מבנים שנחשפו באופן חלקי בלבד וביניהם מעבר או חצר, והשלב המאוחר כולל בניית אבן של חדרים מוארכים בציר צפון-דרום. אחד החדרים מרוצף בלוחות אבן יפים וגדולים.
תקופת הברונזה התיכונה.
כרונולוגיה: 2000 - 1550 לפנה"ס
תקופה זו מופיעה בכתובים גם כתקופת הברונזה התיכונה ב'. בתקופה זו חוזרים בארץ ישראל אל ישיבה ביישובי קבע ולבסוף חוזרים גם הביצורים. שינוי זה מתרחש בעקבות חדירת עמים מהצפון ומסוריה אל תוך הארץ, וחזרת כוחה של מצרים העתיקה עם עליית השושלות ה־12 וה־13 בתחילת התקופה. במקביל חוזרת ירושלים להיות מרכז עירוני ומקומי חשוב. במקביל לירושלים מצביעים מקורות מצריים על שכם כמרכז יריב ושווה משקל באזור ההר. על פי התמונה המקובלת על רוב החוקרים התחלק אזור ההר בין שני גורמים מדיניים מקומיים אלו. בניגוד לכך מציג הארכאולוג פרופסור ישראל פינקלשטיין תמונה שונה, לפיה שטחם של מרכזים ואתרים ארכאולוגיים באזור ההר היה קטן מאוד והספיק למגורי מספר מאות אנשים בלבד. בשכם ובשילה לא נמצאו כלל רובעי מגורים, עובדה המצביעה על כך שאתרים אלו לא היו ערי ממלכה במובן המקובל של המילה ובדומה לירושלים, אלא מעוז מבוצר של שליטים מקומיים, שהטילו מרותם על שטח בו הייתה אוכלוסייה מעורבת של יישובי קבע ונוודים. המחקר קובע כי אזור ההר המרכזי היה מפוצל בין מספר ישויות מדיניות - שכם, בית אל, וירושלים.
תחילת התקופה מיוצגת בממצאים דלים למדי - קבר שנחשף על ידי מקאליסטר בעיר דוד ובו נמצאה ידית של כד עם טביעת חותם של חרפושית מימי השושלת ה-12 (עידן הממלכה התיכונה). במאמרו "ירושלים לפני דוד" מציין החוקר אהרון מאיר כי תיארוך ממצא זה מוטל בספק. דלות זאת תואמת את הידוע על אזור ההר והיעדר אתרים מהתקופה - עובדה המצביעה על יישוב מצומצם וארעי באופיו.
חלקה השני של התקופה מספק שלל ממצאים. בחפירות קניון ושילה בעיר דוד נחשפו קטעים של ביצורי העיר הקדומים במדרון המזרחי ועל פי הצעת קניון ייתכן ונחשף אף חלק ממבנה שער. בשנת 2009 פרסמה רשות העתיקות את דבר חשיפת ביצור מאסיבי מתקופת הברונזה התיכונה, בחפירות בהנהלת פרופסור רוני רייך, שנועד לאפשר גישה בטוחה של תושבי העיר אל המעיין הנמצא בשיפולי ההר. אורך הקטע החשוף של הביצור 24 מטר וגובהו 8 מטרים.