传统的考古学主要是通过实物研究，包括古人留下的器物、建筑遗迹、墓葬等，当然也包括古人遗骸。但在传统考古方式中，能从遗骸中获取的信息非常有限。近年来，随着基因和计算机技术的发展，研究者能从古人遗骸中提取残存的DNA片段，从而对古人的种族特征进行分析，这被称为分子人类学。另一个巨大的进步来自语言学。通过计算机对各种语言进行分析，可以推断出不同语言的分离和演变过程，从另一个侧面对人类种群的演变提供参考。实物考古学、分子人类学和语言学三种方式结合起来，使我们对于史前的中国有了更多了解。
旧石器时代晚期（约40000~10000年前）
通过分子人类学发现，今日中国境内的古人基因按Y-DNA分类，可以分为几大类型：今日汉族的主流是O型，广泛分布于全国几乎所有地区；其次是C型，主要分布在东北、蒙古草原，还有很少出现在东部沿海；P/Q型、R型少量分布于大西北和蒙古草原一带，很少出现于长城以南；西藏的藏族则是O型和D型的混合。
根据基因推测，最先到来的可能是C型和D型，但他们的迁徙路径还不太清楚。在中国以外，C型主要是澳大利亚的土著人，还有少量分布于北美洲，有观点认为这批古人是沿印度洋北岸到达东南亚，然后一支南下澳大利亚，一支沿着太平洋海岸北上到中国东北，然后穿越阿拉斯加进入北美，但实物考古学并未发现相应的证据，也不太好理解为何这些古人在中国内陆几乎没有分布，但在东北和蒙古地区却相当常见。D型的分布则更奇特，除了青藏高原之外，只在印度洋上的安达曼群岛、日本北海道等偏远地区出现，而在适宜人类生存的地区则不见踪影，很难了解是如何形成这一局面的。另一批人群的迁徙路径则相对清晰，P型在大约4万年前从中亚地区进入西伯利亚，在这里演化成Q型，然后往东北方向远赴美洲，发展成今日印第安人的主体。这几批人群都未成为今日中国人群的主流。
与上述几批人相比，O型进入中国的时间稍晚，并且分成O1、O2两个分支。根据基因推测，O1支型最早在3万年前就从华南进入长江中下游和东南沿海；O2支型大约2.5万年前从滇缅经川陕北上到黄河中游地区。但这一时期的考古遗址极少（主要有3~4万年前的云南富源大河遗址、3万年前的宁夏水洞沟遗址、2.6万年前的山西丁村晚期遗址等），还无法从考古证实这一推测。而从南北旧石器技术的风格演变来看，倒更倾向于O型从北方进入中国。因此，这一问题目前还没有确凿解答。
地质研究表明，无论这一时期的人类迁徙路线如何，他们的生存环境可能都非常艰难，并且人口很少。这是因为当时的地球气候比现在寒冷，尤其是距今2.65~1.9万年前的末次冰盛期。在这寒冷的几千年里，中国境内的古人们可能被冰雪阻隔成多个族群，各自独立谋生。值得一提的是，基因研究表明，今日中国人的一些身体特征，包括毛发较少、铲型门齿等，都是在极寒冷地区进化出来的。另一个需要考虑的因素是，冰期海平面比现在要低，渤海、黄海、东海一带当时是陆地。因此，如果古人生活在三海平原古陆，他们的生存遗迹可能已被海水淹没。
末次冰盛期结束之后的几千年里，中国处于从旧石器时代向新石器时代的过渡阶段，这个时期的考古遗址仍然很少，但已出现几个意义重大的发现。江西万年仙人洞出现了距今约2万年的世界上最古老陶器，证明中国发明陶器的时间远远早于世界其它地区。在此以后，陶器就广泛出土于中国境内各地。湖南玉蟾岩遗址出土了距今1.4万~1.8万年的稻谷，这是世界最早的人工栽培稻，也可能处于野生向人工栽培的过渡期。而从距今11000年左右开始，农业逐渐普及，中国境内的考古遗址日渐增多，显示人口增长，社会开始加速发展，进入新石器时代。
新石器时代，早中期（约11000~4500年前）：
无论是实物考古还是基因研究，都表明早在新石器时代之初，中华大地上的古人已经形成南北两大派系。
从分子人类学角度，可以看到南北两个派系在基因层面有着明显的差异，因此分别将他们称为古北方人群和古南方人群。其中，古北方人群有两个分支，分别是古黑龙江人群和古黄河人群；古南方人群也有两个分支，分别是生活在浙江、福建、台湾等东南沿海地区的古南岛人群，以及生活在华南、西南地区的古南亚人群。南北两大人群的分化可能在2万年前就已产生（目前观测到的最早的古北方人个体来自1.9万年前的黑龙江，最早的古南方人个体来自1.1万年前的福建），并且分别独立的发展了近万年之久。大约8000年前，南北两大人群开始出现双向交流，既有南人北上，也有北人南下，但这个时期的交流程度还很低，并未改变南北分化的基本格局。除此之外，在现已淹没的东部三海平原很可能还存在一支古东夷人群，在西部的青藏高原也存在一支更古老的人群（D型）。今日中国境内绝大部分人群（草原民族除外）都是这几个族群的后裔。
从语言学角度，对上述观点也予以证实。2019年研究认为，原始汉藏语在大约7200~5900年前出现于黄河中游地区（对应仰韶文化庙底沟类型），此后分为两支，一支在中原地区发展壮大，并且融合了南方、东夷元素，最终发展成汉语；另一支向西发展（对应马家窑文化），并且进入青藏高原，与当地古老人群相遇发展成藏缅语族。2021年研究认为，泛欧亚语系（日语、韩语、突厥语、蒙古语、通古斯语）都起源于9000年前的中国东北的辽河流域。而在早先的语言学研究中，也已表明南岛语系的发源地在中国台湾和福建沿海地区。以上都与基因分析一致。
从实物考古学角度，这一时期的中国境内出现了“满天星斗”式的诸多史前文化，此起彼伏，各有特色。大体而言，我们可以从地理上把它们分为五大主要板块（以及其它一些小板块）：
* 中原板块：黄河上中游，关中-河洛地区
* 山东板块：黄河下游，山东、江苏北部
* 燕辽板块：燕山南北长城地带，东至辽河流域
* 吴越板块：长江下游，以及太湖、钱塘江一带
* 荆楚板块：长江中游的江汉平原、洞庭湖地区
按时间先后顺序，各板块的主要文化简述如下：约11000~9000年前：新石器文化早期，有原始陶器，南方已有种植稻，北方还未发现农业。
* 吴越板块：浙江上山文化，距今约11000~9000年，有稻作遗迹和陶器出土。
* 中原板块：河南李家沟文化，距今约10500~8600年，有粗陶片出土。
约9000~7000年前：南方陶器技术进步，有原始宗教；北方开始种植粟。
* 荆楚板块：湖南彭头山文化（距今9000~8300年）有稻谷和粗陶；湖南高庙文化（距今7800～6800年）出现最早的祭祀场所，精美白陶，有凤鸟、兽面、太阳等神灵图像。
* 吴越板块：浙江跨湖桥文化（距今8000~7000年）出现了陶轮和最早的彩绘红陶（彩陶）、原始黑陶，可能因为海水入侵而消亡。
* 淮河流域：河南贾湖文化（距今9000~7500年）有栽培稻和红陶，还出土了龟甲刻符和骨笛，后期可归入裴李岗文化。
* 中原板块：河南裴李岗文化（距今8000~7000年）有红陶，出现种植粟。
约7000~5300年前【仰韶时代】：农业普遍繁荣，南方出现城市；吴越和燕辽发明玉器，北方继续盛行陶器。
* 吴越板块：钱塘江以南有河姆渡文化（距今约8000~5300年，夹炭黑陶），钱塘江以北有马家浜文化（距今7000~6000年，红陶）、崧泽文化（距今6000~5300年，红陶转为灰陶），普遍种植稻谷，并出现了榫卯工艺的木结构建筑，以及少量玉器。这一时期最先进的玉器来自安徽凌家滩文化（距今5800-5300年），出土了玉人、玉龙、玉龟、玉鹰，以及八卦状玉版等大量玉器，已有明显的华夏风格。
* 燕辽板块：内蒙-河北-辽宁一带的红山文化（距今6000~5000年），出土了龙鳞纹彩陶和大量玉器，有玉人、玉龙、玉凤、玉龟等。值得注意的是，内蒙红山文化和安徽凌家滩文化在大致相同时间出现玉器，二者的玉龙、玉人造型高度相似，似乎说明这两个地区在上古时期存在一定关联？
* 山东板块：山东大汶口文化（距今6500~4500年），早中期以红陶为主、少量彩陶，晚期以灰、黑陶为主，代表器物为鼎/豆/壶。中晚期出现少量玉器，但制作水平远不如凌家滩、良渚、红山三大玉器文化。
* 中原板块：豫、陕、晋、甘一带的仰韶文化（距今7000~5000年）是中国分布地域最广的史前文化，但只有村落环壕而无城墙。彩陶盛行，主要是盆/钵/罐。可分为庙底沟类型（花瓣纹彩陶）、半坡类型（鱼纹彩陶）等分支。仰韶文化中期，庙底沟类型强势扩张，给周边文化都造成影响，但其晚期可能发生了分裂。
* 荆楚板块：重庆-湖北-湖南一带的大溪文化（距今6500~5300年）是长江中游首个广域文化，早期红衣陶为主，晚期黑陶为主，在湖南城头山出现了中国已知最早的古城（始建于6300年前，约8万平米），并与仰韶文化有相互交流迹象。
约5300~4500年前【良渚时代】：南方达到史前顶峰，形成国家文明、玉器礼制；南北方出现文化碰撞，整体上南强北弱。
* 吴越板块：距今5300~4000年，良渚文化出现于太湖、钱塘江一带，这是长江流域史前文化的巅峰，也是中国首次出现国家规模的史前文明。良渚文化可能是由崧泽文化发展而来，并吸纳了凌家滩文化的玉器工艺，似乎是凌家滩的玉器工匠迁到了良渚。制陶技术从灰陶转为黑陶，晚期出现了蛋壳黑陶。还出现了漆器和最早的丝绸。良渚文化兴建了290万平米的良渚古城和发达的水利设施、等级制的贵族墓地，并形成了以玉器（琮/璧/钺）为代表的阶层礼制。良渚的高规格玉器上频繁出现神人兽面纹，可能代表着一神崇拜的宗教信仰。良渚古国的控制范围覆盖了整个吴越地区，甚至北上扩张到江苏北部。
* 荆楚板块：江汉平原上出现了两个相邻文化。屈家岭文化（距今5600~4800年）可能由大溪文化发展而来，喜好动物陶塑，还有蛋壳彩陶。石家河文化（距今5000~4300年）可能脱胎于屈家岭文化，但似乎受到良渚影响，以灰陶为主。石家河文化早期与屈家岭文化并存，中期取代了屈家岭文化，统一长江中游地区，可能形成了良渚之外的另一古国，并修筑了120万平米的石家河古城。鼎盛时期，石家河文化甚至北上问鼎中原，侵入了仰韶文化的河南南部。
* 山东板块：大汶口文化仍是主导，一度扩张到长江下游，后被良渚文化逐回黄河流域，转而向西扩张。
* 中原板块：仰韶文化晚期（距今5500年之后）可能发生分裂，受到南方屈家岭-石家河文化和东方大汶口文化挤压，分成几支向北、向西迁徙。
* 甘青地区：仰韶文化晚期的一支人群向西迁徙，在甘肃中南部形成马家窑文化（距今5300~4000年）。马家窑文化继承了仰韶的彩陶，并且开始养羊，演变成古羌人。一部分人群继续向西南发展，与青藏高原的古老人群融合，形成了藏族。在甘肃马家窑遗址中，还发现了一把距今5000年左右的青铜小刀，这是中国境内发现的最早青铜器。此后中国逐渐进入铜石并用时代。
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