考古学家把人类起源至农业出现以前的这一漫长时期，称作“旧石器时代”。在旧石器时代，人类的体质演化上经历了直立人阶段、早期智人和晚期智人阶段，逐渐由猿人向现代人进化。整个旧石器时代都以打制石器作为重要的标志。打制石器由简单、粗大向规整、细小发展，种类也不断增多，并且在骨器上发明了磨光技术和钻空技术。在这个阶段，人类发明了人工取火，人类思维得到了突飞猛进的发展，人类社会出现了宗教和艺术。
元谋人
元谋人是中国迄今为止所发现最早的直立人。1965年中国地质科学院的地质学家在云南元谋县东南上那蚌村发现了2枚属同一青年男性的内侧门齿化石，定名为「 元谋直立人」。
根据古地磁测定，确定元谋人生活在170万年前。与元谋人同时发现的哺乳动物化石，有尼河湾剑齿虎、桑氏缟鬣狗、云南马、中国犀等29种，据此推断，元谋人不会晚于早更新世。元谋人门齿化石具有铲形构造，类似蒙古人种，体现出中国人的祖先从南方古猿向直立人过渡的特征。此外，在相近地质层中还发掘出7件脉石英石核和刮削器，有明显人工雕琢的痕迹。
蓝田人
蓝田人化石发现于陕西蓝田县陈家窝子和公王岭，两处相距仅22公里，年代却相差20－30万年。公王岭蓝田人化石头骨厚，脑量小，表现出较为原始的形态。经科学测定，公王岭蓝田人距今大约有80－75万年，他们多数使用加工方法简单的大尖状器、砍砸器、刮削器和石球等石器。同时期生存的动物群包括大熊猫、东方剑齿象和毛冠鹿等南方动物群。陈家窝子的蓝田人化石为一老年女性的下颌骨，骨骼特征与周口店北京人相似，距今大约50万年，同时期生存的哺乳和软体动物均带有北方特点。北京猿人
生活在50—20万年之前的北京猿人，是旧石器时代典型的直立人，懂得取火技术、打制简单的石器、骨器。 1921年发现周口店龙骨山遗址，由奥地利及中国学者先后发掘出3枚人类牙齿化石，定名为「中国猿人北京种」，就是「北京猿人」。
其后，由裴文中所主持的发掘中，出土了第一个北京猿人的完整头盖骨化石。接着被称为「北京人之父」的贾兰坡又发现了3个人类头盖骨。很不幸这批珍贵的化石却在日军太平洋战争中全部丢失，所以现在展出的大多是复原品。1949年后，中国考古学家又发现了3枚人类牙齿化石和2个头盖骨化石，还有大量石器、骨器和用火遗迹，填补了失去的北京猿人化石所留下的空间。
大洞文化
大洞遗址位于贵州省盘县，距今30万年至数万年。大洞遗址规模很大，内涵丰富，保存完好，地层堆积处最厚约20米，延伸达200多米，分布面积近8000平方米。目前，已发现的石制品有2000多件，动物化石近万件，还有数枚人牙化石。
遗址中包括古人类的生活居址、石器加工场和猎物屠宰场等不同活动遗址，同时也发现用火遗迹。石制品以燧石、玄武岩为主要原料，包括石核、石片、刮削器、钻具、手斧等。大洞遗址具有较完整的早中晚期旧石器文化堆积，十分难得。
金牛山人
金牛山位于辽宁省营口县田屯村附近，发现的金牛山人化石有较完整的头骨、脊椎骨、肋骨等共50余件，属于一个男性个体。如此完整而全面的古人类化石骨架出土，十分难得。据测定，金牛山人生活在距今约28万年前，有些学者将他判定为直立人，也有些认为金牛山人当属早期智人。
金牛山人使用的石器有刮削器和尖状器。除石器、骨器外，金牛山文化遗存中较重要的是发现大量烧土、烧骨和灰烬层等用火遗迹，说明当时的人类不仅会用火而且懂得控制火。烧骨中多兔类、鼠类和鹿类的肢骨，这些动物是当时人们狩猎的主要对象。同时期生存的动物有剑齿虎、变种狼、中国貉、三门马和梅氏犀等 。
直立人期 | 元谋人 | 约公元前170万年 |
| 蓝田人 | 约公元前80万—前50万年 |
| 北京猿人 | 约公元前50万—前20万年 |
| 大洞文化 | 约公元前30 万年 |
| 金牛山人 | 约公元前28 万年 |
早期智人期 | 大荔人 | 约公元前20 万年 |
| 马坝人 | 约公元前20万—10万年 |
| 丁村人 | 约公元前12 万年 |
晚期智人期 | 柳江人 | 约公元前5 万年 |
| 河套人 | 约公元前5—前3.7万年 |
| 下川文化 | 约公元前3.6 万—前1.3万年 |
| 山顶洞人 | 约公元前1.8 万年 |
大荔人
大荔人化石发现于陕西省大荔县解放村附近，是一个青年男性的头骨（缺下颌骨），具有直立人的原始特征，但面部扁平，脑容量为1120毫升，是迈向智人的进化标志。属于早期智人中较早的类型，时间约在公元前20万年。
大荔人是中国旧石器时代从猿人到古人过渡时期的一个代表，对研究中国古人类的演化有重要价值。同时期发现的动物化石有鲤、鲶、鸵鸟、河狸、石菱齿象、马、犀、肿骨鹿、斑鹿、水牛、猪、老鼠等14种之多。
马坝人
1958年，闻名中外的马坝人头盖骨在广东省曲江县马坝乡狮子山被发现，这是迄今为止广东唯一的一处古人类化石遗址。马坝人化石为一中年男性头骨的颅顶部分，包括额骨和部分顶骨，还保存了右眼眶和鼻骨的大部分。马坝人是距今约20-10万年前旧石器中期的早期智人（介乎中国猿人和现代人之间的古人类型），代表直立人转变为早期智人的重要环节。
与马坝人化石同时发现的脊椎动物化石有鬣狗、大熊猫、貘、剑齿象等19种。马坝人头骨的发现，扩大了中国远古人类分布范围，填补了中国华南人类进化系统上的空白，更完善了中国原始人类发展序列。
丁村人
丁村文化遗址位于山西省襄汾县丁村，北起史村，南至柴庄，长达十一公里。丁村人化石包括属于一个十二、三岁少年的三枚牙齿和一个大约两岁儿童的右顶骨化石，化石的齿冠舌面特征与现代黄种人相接近。
丁村人属早期智人，距今大约12万年，使用的石器以砍斫器、三棱大尖状器、小尖状器、刮削器、石斧等石片石器为主，器具用途已有明显的分工。与丁村人同时生存的哺乳动物有梅氏犀、披毛犀、野马、纳马象、斑鹿、方氏鼠、原始牛等，还有鱼类和软体动物。
柳江人
1958年在柳江县穿山乡通天岩出土了「柳江人」化石，这是迄今为止广西发现最早的古人类化石，也是中国迄今为止最早的旧石器时代晚期智人化石。所发现的柳江人化石计有一个完整头骨（缺下颌骨）、最下的四个胸椎和全部五个腰椎，形态颇为原始，被认为是形成中的早期类型蒙古人种。同时期生存的动物有大熊猫、东方剑齿象等。
柳江人使用以砾石制造的石器，出土的石器有尖器、刮削器、石锤、石片等。柳江人、麒麟山人等是广西以壮族为主的远古祖先，他们所创造的文化被认为是广西文明史的源头。
河套人
河套人化石于1922年在今内蒙古自治区伊克昭盟乌审旗萨拉乌苏河河岸砂层中被发现。他们的体质已接近现代人，牙齿的大小也与现代人相似，但头骨和股骨骨壁则较厚，齿冠结构具有原始特征。河套人生活的时代距今大约5万至3.7万年。是旧石器时代晚期的人类，属晚期智人。
河套人使用的石器只经过简单的捶击法加工，体积极小，主要为刮削器、钻具、尖状器和雕刻器。同时期生存的动物有野马、普氏羚羊、原始牛等45种，现时多数已绝种。
下川文化
下川是山西沁水县的一个小镇，这里是中条山东端的一个山间小盆地。发现的细石器文化遗物分布于盆地周边的二级阶地上，同时也发现了一些粗大石器。细石器遗存则分布较广，出现了典型细石核、石叶、圆头刮削器、楔型器、雕刻器和石锯等。
下川文化年代距今约3.6—1.3万年之间，属旧石器时代晚期。下川文化遗存显示，中国旧石器时代晚期华北地区的细石器工艺已臻成熟。此外，考古发现与研究亦同时证实，远东与环太平洋区域的细石器文化以华北为渊薮，而下川文化更是远东细石器的渊源。
山顶洞人
山顶洞人化石发现于北京房山县周口店龙骨山顶部，共有8个男女老少不同的个体，在体质以及脑量方面都与现代人相同。山顶洞人所处的自然环境与现代相似，有茂密的森林和广阔的草原，他们以渔猎和采集为生。
山顶洞人是旧石器时代晚期人类，属晚期智人。他们的钻孔、磨制和染色技术，都是前所未见的，其中骨针是迄今发现的旧石器时代最早的缝纫工具。而装饰品和墓葬的出现，则表明山顶洞人已经有了审美观念和原始的宗教信仰。在山顶洞发现的脊椎动物化石大多数属华东、内蒙古和东北地区的现有品种，只有少量已绝种动物如：洞熊、斑鬣狗和3种鸵鸟。
