בד בבד עם היעלמות המינים המקוריים של הצמחייה ובעלי החיים הלכה וגדלה אוכלוסיית האי והגיעה ככל הנראה לשיאה בסוף תקופת הקמת הפסלים. קיימת מחלוקת בין הארכאולוגים מה הייתה צפיפות האוכלוסייה באי הפסחא בשיאה. האומדנים נעים בין 6,000 ל-30,000 תושבים והתבססו על ספירת יסודות הבתים, על הנחה ששליש מכמות הבתים הייתה מיושבת דרך קבע, ועל ההנחה שבכל בית התגוררו בין 5 ל-15 נפשות. שיטה אחרת ניסתה לאמוד את כוח האדם הנדרש להקמת הבמות והפסלים שהוצבו עליהם. שיטה אחרת הסיקה מתוך העדויות על החקלאות האינטנסיבית כמה אנשים היא נועדה לכלכל. ג'ארד דיימונד מסתמך בספרו התמוטטות על כמה מהארכאולוגים המובילים במחקר אי הפסחא שטוענים כי בשיא בסוף המאה ה-16 התגוררו באי כ-15,000 תושבים.
בהדרגה החלו היבולים החקלאיים להצטמצם, אם בשל סחיפת הקרקע שהתגברה לאחר השמדת היער, או הידלדלותה עקב אובדן צמחי הבר ששימשו לדישון. עדות לכך התגלתה בחפירות בחצי האי פויקה שהוכיחו שהחקלאות שם ננטשה סביב 1400 לספירה, התחדשה סביב שנת 1500 וכעבור מאה שנים ננטשה כליל. היבולים החקלאיים כבר לא הספיקו לכלכל את האוכלוסייה הגדולה והתושבים החלו לסבול מרעב. עדויות לכך מוצאים בפסלונים המגולפים בעץ המכונים מואי קוואקווה (mo‘ai kavakava) המתארות דמויות שדופות, שצלעותיהן בולטות, בתיאור של חוקר הארצות ג'יימס קוק שביקר באי ב-1774 ותיאר את תושביו כ"קטנים, צנומים, חרדים ואומללים", ובעובדה שמספר יסודות הבתים בשפלת החוף, הצטמצם בכ-70% בין המאה ה-16 למאה ה-18. המחסור במזון מן החי גרם לתושבים לחפש תחליפים, ובגלי האשפה של תקופה זו מתחילים למצוא עצמות מפוצחות (כדי להגיע ללשד) של מקור מזון חדש מן החי: בני אדם. חיזוק לכך זו ניתן למצוא בקיומם של ביטויים רבים בשפת התושבים הקשורים לקניבליזם. השערה זו על הידרדרות התרבות של אי הפסחא התקבלה כעובדה וצוטטה בספרים ובמאמרים רבים. כך למשל כותבת ברברה וסט (Barbara A. West) בספרה על העמים של אסיה ואוקיאניה שיצא לאור ב-2009: "זמן מה לפני בואם של האירופאים לאי הפסחא, חשו רפאנואי תהפוכות גדולות במערכת החברתית שנגרמו מהשינוי באקולוגיה של האי... כאשר הגיעו האירופאים ב-1722 הצטמצמה אוכלוסיית האי ל-3,000-2,000 משיא של בערך 15,000 מאה אחת בלבד קודם".
הרעב לווה בתהפוכות חברתיות. שליט האי, ראשי השבטים והכוהנים כבר לא יכלו להצדיק את מעמדם הרם בכך שהם מהווה קשר לאבות הקדומים המעטירים שפע על התושבים והם הודחו. צץ מעמד חדש של מנהיגים צבאים המכונים מָטָטוֹאֶה ("matatoa") שכלי נשקם היה חניתות שלראשם הוצמדה זכוכית געשית המתאפיינת בקצוות חדים מאוד הקרויים מטאה (mataa). החלו מלחמות אזרחים ומשפחות רבות שחשו חוסר ביטחון החלו להתגורר במערות שהורחבו, ופתחיהן הוסוו. במערות נמצאו עדויות בדמות כלים המעידות שהמערות היו בשימוש למגורים במשך זמן רב. לקראת סוף המאה ה-18 עברה האוכלוסייה מסגידה לפסלים לאכזבה מהם והחלה תקופה של הפלת הפסלים המכונה "הורי מואי" ("huri mo'ai" -הפלת הפסלים). ייתכן גם שהפלת הפסלים הייתה חלק מהתחרות בין שבטים, כשכל שבט מפיל את הפסלים של יריביו. ג'יימס קוק שביקר באי ב-1774 מצא שחלק מהפסלים עומדים וחלק מופלים, הדיווח האחרון על פסל עומד היה משנת 1838 ובשנת 1868 דווח כי אף פסל לא נשאר זקוף. במקביל החלו הילידים לפרק את הבמות ולהשתמש באבניהן למעגלי האבנים לחקלאות (מנאוואי), או להקים תאי קבורה. זו אחת הסיבות לכך שמרבית הבמות כיום נראות כגל אבנים.
תיאור היסטורי זה של ההידרדרות של תרבות אי הפסחא מחברה משגשגת לחברה שבה שולטים רעב ומלחמה קיבל הד נרחב, ואי הפסחא הוצג כדוגמה בולטת כתמרור אזהרה ללקח שיש ללמוד מכך שאי השמירה על הסביבה ממיטה חורבן על התרבות האנושית.
בתחילת המאה ה-21 החלו חוקרים לפקפק בתיאור זה. בולטים בהם טרי האנט וקארל ליפו שחפרו באי וסיכמו את ממצאיהם בספרם "הפסלים שהלכו: פתרון תעלומת אי הפסחא" (The statues that walked: unraveling the mystery of Easter Island). האנט וליפו טוענים שלא התרחש באי אסון אנושי, ושצפיפות האוכלוסייה התאימה לכמות המזון שהופק בחקלאות האינטנסיבית. עוד טוענים השניים שלא היו מלחמות, וכי הכלים מזכוכית געשית שנמצאו בשפע באי ויוחסו על ידי החוקרים לחודי חניתות נבחנו במעבדה והתגלו עליהם שרידי צמחים בלבד, ואף פעם לא דם, ולכן מדובר בכלים חקלאיים גרידא. התושבים לא הפילו את הפסלים אלא הם נפלו כתוצאה מרעידת אדמה. בסופו של דבר התמונה המצטיירת על ידם היא של סיפור הצלחה ולא אסון. למרות הרס הסביבה (שאותו הם מייחסים לחולדה הפולינזית) הצליחו תושבי האי להפיק יבולים שהספיקו לצורכי האוכלוסייה, וזאת למרות תנאי הטבע הקשים (קור, רוחות, אדמה דלה). האסונות היחידים שהתרחשו על התושבים החלו רק כתוצאה מהמפגש עם האירופאים החל מתחילת המאה ה-18. מחקר של האנתרופולוג האמריקני דאגלס אוסלי (Douglas Owsley) מ-1994 מחזק חלק מטענותיהם. הוא טען שכמעט שאין שום עדות ארכאולוגית להתמוטטות החברה קודם לבואם של האירופאים. בבדיקת מדגמית של עצמות אדם מהתקופה המדוברת ניתן לייחס את מותם של מעט מאוד אנשים למוות באלימות. חוקר נוסף שמטיל ספק בסיפור האסון האנושי הוא הביולוג ההולנדי יאן באורסמה (Jan J. Boersema) בספרו משנת 2015 "ההישרדות של אי הפסחא" (The Survival of Easter Island).
פולחן איש הציפור.
התמוטטות הסדר הישן והמצוקה הביאו לפריחתו של פולחן חדש שנועד לחלק את המשאבים הבודדים שנשארו, פולחן איש הציפור ("tangata manu"). בספרה "להמציא את אי הפסחא" ('Inventing 'Easter Island) כתבה בוורלי האון (Beverly Haun): "התפיסה של מאנה (כוח) שניתנה בעבר למנהיגים שתוארם עבר בירושה השתנתה ועברה לדמותו של איש הציפור, ככל הנראה החל ב-1540, במקביל לסוף תקופת הקמת הפסלים". פולחן זה התבסס על האמונה שאף שהאבות הקדומים עדיין דאגו לצאצאיהם, המדיום שדרכו יכלו החיים להתקשר עם המתים כבר לא היה יותר הפסלים, אלא בני אדם שנבחרו בתחרות. האל שאחראי ליצירת בני האדם, מאקה-מאקה, שקודם לכן היה רק אחד האלים הרבים בפנתאון של אי הפסחא, קיבל תפקיד מרכזי בפולחן. מרכז הפולחן היה בכפר אורונגו שעל השפה הצפון-מערבית של הקלדרה של ראנו קאו. התחרות נערכה פעם בשנה, כנראה בסביבות חודש ספטמבר. מכל שבט נבחר נציג (על ידי המנהיגים) שהיה צריך לשחות במים הקרים לאיון "מוטו נוי" (Motu Nui) שנמצא כשני ק"מ מול הקצה הדרום מערבי של האי, כדי להביא ביצה של שחפית כהה ("Sterna fuscata"), סוג של עוף ימי המקנן שם, שנקרא בפי אנשי האי בשם Manutara (מאנוטרה). הראשון לחזור עם ביצה שלמה הוכתר כ"איש הציפור", ולמשך שנה שלט על המשאבים של האי לטובת שבטו. אומנם היה לאי מלך רשמי שכונה "אריקי" (Ariki), אך פולחן זה הפך אותו לדמות ייצוגית בלבד. המסורת הייתה קיימת בעת המפגש הראשון עם האירופים, ונמשכה עד סוף המאה ה-19. הפעם האחרונה שהטקס נערך היה ב-1867 וצפו בו מיסיונרים צרפתיים שהגיעו לאי ב-1864.
במקביל לפולחן התפתח סגנון אמנותי חדש של גילוף בסלעים. פטרוגליפים מצויים בכל רחבי אי הפסחא, כולל על פסלי מואי לאחר שהופלו, אבל הריכוז הגדול ביותר שלהם מצוי במרכז פולחן איש הציפור בכפר אורונגו. הנושאים העיקריים בפטרוגליפים הם איברי מין נשיים, איש הציפור, האל מאקה-מאקה, ועופות. הפטרוגליפים דומים לפטרוגליפים שנתגלו באיי הוואי, ולכן ככל הנראה הגיע הרעיון של גילוף בסלעים יחד עם המתיישבים הראשונים, אבל רעיון התחרות שבבסיס פולחן איש הציפור ייחודי לאי הפסחא.
מגילוי האי על ידי האירופאים ועד ימינו.
המאה ה-18.
הקשר המתועד הראשון של האירופאים היה ביום ראשון של חג הפסחא ב-5 באפריל 1722, כאשר הנווט ההולנדי יאקוב רוחבן הגיע לאי בראש שייטת בת שלוש ספינות שנשלחה מטעם חברת הודו המערבית ההולנדית. רוחבן חיפש את האי אותו תיאר הבוקניר אדוארד דייוויס (Edward Davis) ב-1687. רוחבן קרא לאי Paasch-Eyland, שפירושו בהולנדית של המאה ה-18, "אי הפסחא". הוא מצא אי שעל פי תיאורו שממרחק דמה למדבר, ואלו דבריו: "ממרחק חשבנו שאדמת אי הפסחא האמור היא חולית. העשב היבש, הקש והצמחייה החרוכה נראו לנו כמו חול", אבל התמונה השתנתה ברגע שנחת על האי:
מן המפגש עם הילידים שקידמו את פניו קיבל רוחבן את הרושם כי תרבותם פרימיטיבית. רובם היו ערומים, וגופם כולו היה מכוסה ציורי קעקע אמנותיים. אחרים עטו גלימות אדומות וצהובות של אריג עשוי מקליפת עץ. התושבים התגוררו בבקתות ארוכות, נמוכות, עשויות קנים, נטולות רהיטים למעט מחצלות ואבנים ששימשו ככרים. בכל האי היו סירות מעטות, עשויות קנים קלועים, שלא היו אטומות, דבר שהכריח את השייטים לרוקן מים מהסירה ללא הפסק. תדהמתו של רוחבן הייתה גדולה כשנתקל בפסלי הענק שעמדו בסתירה לרושם העלוב שהותירו בו הילידים. רוחבן ראה כ-400 תושבים, אם כי מהעובדה שכמעט לא נראו נשים היה ברור לו שחלק מהאוכלוסייה מסתתר. ההולנדים ראו את הילידים בבוקר המחרת שרועים על האדמה, מדליקים מאות מדורות וסוגדים לזריחת השמש. רוחבן שהה באי כשבוע והעריך את האוכלוסייה בין 2,000 ל-3,000 תושבים. ייתכן שהמספר היה גדול יותר, מאחר שחלקם נחבא בעקבות אי הבנה שהתפתחה לתקרית שבה הרגו אנשיו של רוחבן 12 ילידים ופצעו כמה נוספים.