בשנת 2013, מחקר שנערך באוניברסיטת אוקספורד בהשתתפות כריס סטרינגר ורובין דאנבר (ממציא מספר דאנבר) השווה 13 גולגולות ניאנדרטליות ל-32 גולגולות ספיינס "מודרני אנטומית", כולן מתוארכות לתקופה שבין 75 אלף ל-27 אלף שנים לפני זמננו. נמצא שהנפח הממוצע של מוחות ניאנדרטלים וספיינס בן-זמנם היה זהה – 1,473 סמ"ק. עם זאת, המחקר מצא ארובות עיניים גדולות משמעותית בגולגולות הניאנדרטליות. מכאן הסיקו החוקרים, תוך היעזרות בנתונים מבני-אדם וקופים בני-ימינו, שגם אזור המוח האחראי על הראייה, קליפת הראייה באונה העורפית, היה גדול יותר אצל הניאנדרטלים. המחקר חישב "תיקון" לגודל המוח המוקדש לפעילות קוגניטיבית וחברתית, לאחר ניכוי קליפת הראייה וכן תוך התחשבות בגודל הגוף הקטן יותר של ספיינס, שבדרך-כלל דורש גם מוח קטן יותר. באופן זה נמצא שגודל המוח ה"מתוקנן" בגולגולות ספיינס היה גדול באופן מובהק מזה שבגולגולות הניאנדרטליות. המחקר הציע שיתרון זה עמד בבסיסה של יכולת חברתית טובה יותר באוכלוסיית ספיינס, שאפשרה להם ליצור קהיליות גדולות יותר.
פנים, לסתות ושיניים.
לניאנדרטלים מבנה-פנים ייחודי. פלאואנתרופולוגים נוהגים לעיתים לתאר את פניהם כאילו תפסו אותם בגשר האף ומשכו אותם קדימה. גשר האף מזדקר קדימה כמעט אופקית, ולא יורד באלכסון למטה כמו אצל האדם המודרני, ובכך מהווה מכסה לחלל אף גדול ממדים. פתח האף בקדמת הגולגולת רחב מאוד. היו חוקרים שפירשו את חלל האף הגדול כהתאמה מתמחה לשמירת לחות מערות האף בתנאי אקלים יבש וקר, ואפשר לראות תופעה דומה אצל האנטילופה סאיגה החיה בערבות סיביר.
עצמות הלחיים של הניאנדרטלים גם הן "משוכות קדימה" במרכז הפנים, כך שנוצר משטח אחד בלבד בכל צד של הפנים מהאף ועד האוזן. זאת בניגוד לעצמות הלחיים של האדם המודרני, הבולטות הצידה כך שקיימים שני משטחים מכל צד של הפנים – סמוך לאף ובצד הפנים – שבמבט מלמעלה יוצרים זווית ביניהם.
בקדמת הגולגולת הניאנדרטלית רכס גבות בולט מאוד, גדול יותר משל כל אדם מודרני שהוא. זוהי תכונה ארכאית האופיינית למיני אדם קדומים, אך רכס הגבות הניאנדרטלי אינו ישר יחסית כמו זה של ארקטוס, אלא מתקמר מעל כל עין לחוד בדומה לזה של היידלברגנסיס. ארובות העיניים הגדולות של הניאנדרטלים מראות שהיו להם עיניים גדולות, שהגבירו את הרגישות לעוצמות האור הנמוכות יותר באזורים הצפוניים שבהם חיו. עיניים גדולות יותר (אם כי לא גדולות כשל ניאנדרטלים) מאפיינות גם כיום אוכלוסיות אדם החיות בקווי רוחב צפוניים.
הלסת הניאנדרטלית פרימיטיבית בגודלה, ומסיבית בהרבה מלסת האדם המודרני. אף על פי ששיני הניאנדרטלים אף הן גדולות יותר, הן עדיין קטנות יחסית ללסת, ולעיתים נשאר רווח (retromolar space) בין השן הטוחנת האחורית ביותר לענף העולה של הלסת. זאת בניגוד ללסת האדם המודרני שהיא כה קטנה עד שלשן האחורית ביותר (שן בינה) כמעט ולא נותר מקום, והיא צומחת בגיל מאוחר ולעיתים אף אינה חורגת כלל לתוך חלל הפה.
בדומה לכל מיני האדם הנכחדים ובניגוד לאדם המודרני, הלסת הניאנדרטלית חסרה בליטת סנטר.
שלד הגוף.
באופן כללי, ניאנדרטלים היו נמוכים במעט מבני-אדם בני-ימינו אך מוצקים וחסונים יותר. הגובה הממוצע מוערך ב-168 ס"מ בגברים וב-156 ס"מ בנשים. המשקל הממוצע מוערך ב-77 ק"ג בגברים וב-66 ק"ג בנשים. מבנה הגוף הרחב והגפיים הקצרות יחסית של הניאנדרטלים מפורש לפעמים כהתאמה לתנאי קור על פי כלל אלן – הקטנה של שטח הפנים של העור מאפשרת הקטנה של איבוד החום. מבנה גוף עגלגל, אם כי הרבה פחות חסון משל הניאנדרטלים, ניתן למצוא כיום אצל אוכלוסיות אדם מאזורים קרים, כמו אצל הלאפים והאינואיטים.
שלד הניאנדרטלים היה בעל עצמות עבות באופן יוצא דופן, והיו בהן רכסי עצם (ששימשו כמאחז לשרירים) מפותחים. גם המפרקים היו עבים משל בני אדם מודרניים. כלוב הצלעות של הניאנדרטלים היה בעל צורה חרוטית, בניגוד לכלוב הצלעות הגלילי של בני-אדם בני-ימינו, ורחב בבסיסו, כך שגוף הניאנדרטלים היה בעל מותן פחות מודגש באופן יחסי. האגן היה רחב מאגן מודרני, ועצם החיק ארוכה יותר, ככל הנראה כהתאמה להגדלת תעלת הלידה, בשל הצורך של הנשים הניאנדרטליות ללדת תינוקות בעלי נפח גולגולת גדול. היחס בין אורך עצמות השוקיים לאורך עצמות הירך היה נמוך יותר בניאנדרטלים, בהשוואה לאותו היחס בבני-אדם בני-ימינו, וכמוהו גם היחס בין אורך עצמות האמה לאורך עצם הזרוע.
גנטיקה.
עד שנת 2010 פוענח רצף הגנום המיטוכנדרי וחלק משאר הגנום של יותר מ-10 פרטים ניאנדרטלים. בנוסף פוענח הגנום כולו מתוך שלוש נשים ניאנדרטליות מאתר וינדיה בקרואטיה, המסומנות Vi33.25, Vi33.16 ו-Vi33.26, ברמת דיוק של "טיוטה", כלומר אין עדיין ביטחון מלא בזהותם של חלק מהנוקלאוטידים. בשנת 2013 פורסם הגנום השלם של גבר ניאנדרטל ממערת דניסובה, באיכות גבוהה משל כל גנום ניאנדרטל יחיד שמופה לפניו, ואף באיכות גבוהה משל כמה גנומים שלמים שמופו מבני-אדם בני-ימינו. כל מקטע בתוכו מופה בממוצע 50 פעמים ("רמת כיסוי" של פי 50). עם זאת מוערך שלמרות כל אמצעי הזהירות שננקטו, כאחוז אחד מהנוקלאוטידים עדיין "מזוהם" בדי-אן-איי של בני-אדם בני-ימינו, שמקורו בעובדי המעבדה המטפלים בתהליך המיצוי והמיפוי. גנום זה, הודות להשתייכותו לגבר, גם מכיל לראשונה רצף שלם של כרומוזום Y ניאנדרטלי. רצף הגנום המלא ציבורי לחלוטין, וחופשי להורדה באתר הפרויקט למיפוי הגנום הניאנדרטלי.
ההבדל בין הגנום הניאנדרטלי לגנום האדם בן-ימינו, כשהוא נמדד במספר זוגות הנוקלאוטידים השונים, הוא בממוצע 12.7% מההבדל בין גנום השימפנזה לגנום האדם. לצורך ההשוואה, ההבדלים בין הגנומים של בני-אדם בני-ימינו מכל העולם הם רק מעט פחות מ-10% מההבדל בינם לגנום השימפנזה. לפי מדד זה הניאנדרטלים דומים אפוא לאדם הרבה יותר מאשר לשימפנזה, אך עדיין שונים יותר מכל אוכלוסיית בני-אדם בני-זמננו. מכאן אין להסיק בטעות שהדמיון הגנטי בין הניאנדרטל לשימפנזה גדול מזה שבין האדם לשימפנזה, שכן המדד אינו מביא בחשבון נוקלאוטידים המשותפים לאדם ולשימפנזה אך שונים אצל הניאנדרטל. למעשה גנום האדם והגנום הניאנדרטלי נבדלים מגנום השימפנזה באותו שיעור לערך, כלומר הניאנדרטלים אינם קרובים יותר לשימפנזים מהאדם בן-ימינו.
רק בחמישה גנים מקודדים לחלבון זוהתה יותר ממוטציה אחת המבדילה את המבנה המרחבי של חלבוני האדם המודרני והאדם הניאנדרטלי. חלבונים אלו מעורבים בתפקודים שונים של העור, תאי זרע ושעתוק לרנ"א בריבוזום, שמשמעותם עדיין אינה ברורה. הבדלים חשובים נוספים עשויים להתקיים באזורים אחרים בגנום שאינם מקודדים לחלבונים, אך מפקחים על מידת ההתבטאות של גנים (רצפי בקרה). אחת הדרכים לזהותם היא לחפש אזורים בגנום שעברו אבולוציה מואצת באדם יחסית לשימפנזה (Human Accelerated Regions או בראשי-תבות HAR). נמצא כי באזורים כאלו הניאנדרטלים נושאים ב-91.4% מהמקרים את הרצף האנושי. כלומר מרבית המוטציות האחראיות לאנושיותו של האדם משותפות לבני-אדם בני-ימינו ולניאנדרטלים.
בדי-אן-איי שהופק מעצמות של לפחות שני ניאנדרטלים שונים, האחד ממערת אל-סידרון בספרד והשני מאתר מונטה לסיני (Monti Lessini) באיטליה, המתוארך לתקופה של 50 אלף שנה לפני זמננו, נמצאה אותה מוטציה בגן MC1R. גן זה מקודד לקולטן של מלאנוקורטין ובבני-אדם מודרניים, מוטציות שונות בו גורמות לעור בהיר ומנומש ושיער אדמוני. לכן מקובל לשער היום שחלק מהניאנדרטלים היו אדומי שיער, והם מוצגים כג'ינג'ים בכמה מהשִחזורים האמנותיים מהשנים האחרונות.
עם זאת, המוטציה הניאנדרטלית אינה זהה למוטציות בבני-אדם ג'ינג'ים בני-ימינו, כיוון שהיא התרחשה כתוצאה מהחלפת נוקלאוטידים אחרים באותו גן. לכן היא אינה מעידה בפני עצמה על קרבת משפחה בינם ובין הניאנדרטלים, ונראה ששער אדמוני התפתח והתפשט באופן בלתי-תלוי בבני-אדם מודרניים ובניאנדרטלים. להשתלשלות של הניאנדרטלים ובני האדם בני-ימינו, ולעדויות בדבר רביית כלאיים ביניהם, ראו בפרק "אבולוציה".
אורח חיים.
אקלים גלובלי ותפוצה.
הניאנדרטלים חיו בשלבים התיכון והעליון של תקופת הפליסטוקן, במהלך תקופות קרח ותקופות בין-קרחוניות. בשיאן של התקופות הקרחוניות, האזורים הצפוניים יחסית בהם חיו ניאנדרטלים – אירופה, הקווקז וסיביר – היו קרים מאוד. אזורי תפוצה דרומיים יותר, שבהם תהפוכות האקלים היו כנראה מתונות, כוללים את המזרח התיכון, איטליה וחצי האי האיברי. הניאנדרטלים לא חיו ככל הנראה בצפון-אירופה, צפונה לקו הרוחב 50° לערך, משום שאזורים אלו היו מכוסים באותה תקופה בקרחונים במשך כל עונות השנה. אין עדויות להימצאות ניאנדרטלים באפריקה, בדרום אסיה או במזרח הרחוק.
על פי השונות הנמוכה בין גנומים של ניאנדרטלים מעריכים כי אפילו בשיאה מנתה האוכלוסייה שלהם פחות ממאה אלף נפש בדור, ואולי כעשרת אלפי נפשות בלבד.
תזונה וציד.
בדומה למרבית מיני האדם לאורך הפרהיסטוריה, הניאנדרטלים היו ציידים-לקטים. על פי הרכב איזוטופים של שיניהם ניתן להסיק שבשר ציד היה מרכיב עיקרי בתזונתם, קרוב לוודאי משום שבאירופה של עידן הקרח מקורות מזון צמחי היו מוגבלים. באתרים ארכאולוגיים שבהם מתגלים שרידי ניאנדרטלים, מתגלים כמעט תמיד גם מאובנים רבים של בעלי-חיים בני תקופתם, עם סימני חתכים בעצמות שנגרמו מכלי-אבן חדים.