התקופה הפליאוליתית משתרעת על פני כ-1.4 מיליון שנה, והיא הקדומה והארוכה בתולדות המין האנושי. בפרק זמן זה התקיימו חברות קטנות של ציידים-לקטים, שהותירו אחריהם כלי עבודה עשויים צור ואבן. תקופה זו נחלקת לשלושה שלבים כרונולוגיים ותרבותיים:

פליאוליתית תחתונה (1,400,000–245,000 לפני הספירה);

פליאוליתית תיכונה (245,000–45,000 לפני הספירה);

פליאוליתית עליונה (45,000–24,000 לפני הספירה).

התקופה הפליאוליתית התחתונה נחלקת לשלושה שלבים תרבותיים: אשלית קדומה, אשלית מאוחרת ואשלו-יברודית. ארץ ישראל שימשה בתקופה זו צומת דרכים וגשר גאוגרפי להתפשטותם של הומינידים קדומים מאפריקה לעבר אסיה ואירופה. ממצא כלי הצור והאבן, לצד עצמות בעלי החיים שנחשפו בחפירות הארכיאולוגיות, מלמדים כי בפרק זמן זה יוצרו ושימשו לראשונה כלי עבודה דוגמת כלי קיצוץ, אבני יד וקופיצים. הפאונה התאפיינה בבעלי חיים גדולים מטיפוסים שנכחדו, כמו פילים, קרנפים, כבש ושור בר.

התקופה הפליאוליתית התיכונה נחלקת גם היא לשלושה שלבים תרבותיים: מוסטרית קדומה, מוסטרית תיכונה ומוסטרית מאוחרת. התרבות המוסטרית מתאפיינת בטכניקת סיתות צור המכונה "לבלואה", שמוצריה העיקריים הם חודים, נתזים ולהבים. תקופה זו ידועה גם בחודי אבו זיף, חודים מוסטריים ומקרצפים אחדים. בפרק זמן זה מופיעים בארץ ישראל האדם המודרני הקדום והאדם הנאנדרטלי. שני הומינידים אלו קשורים לתעשיית כלי אבן המוסטרית. בחפירות במערות בארץ נמצאו קבורות של נאנדרטל ושל האדם המודרני הקדום. במערת קפזה נחשפו קברים של האדם המודרני הקדום, שגילם כ-100,000 שנה. אלה הקברים הקדומים מסוגם בעולם, והם מספקים עדויות ראשונות להופעת האדם המודרני מחוץ ליבשת אפריקה.

התקופה הפליאוליתית העליונה נחלקת על פי רוב לשני שלבים תרבותיים: קדומה ומאוחרת. לשלב הקדום שייכות התרבויות האחמרית הקדומה והאוריניקית. התרבות האחמרית אופיינית לדרום הלבנט – ישראל, ירדן וסוריה, והיא מתאפיינת בלהבים ובלהבונים משובררים ומחודדים, ובחודי אל-ועד, וכן במגרדים ובנקרים. לצדה של התרבות האחמרית הקדומה, אנו עדים להופעתן של קבוצות ציידים–לקטים בני התרבות האוריניקית, שהתפתחה במערב אירופה והתפשטה מזרחה ודרומה. האתרים האוריניקיים מעטים, ורובם נמצאים בצפון ישראל, במערות. התרבות מתאפיינת בלהבוני דופור, במגרדים חרטומים, בלהבים ובלהבונים משובררים. את השלב המאוחר בתקופה זו מייצגות שתי תרבויות עיקריות: התרבות העתליתית, המתאפיינת בנקרים ובחודים נדירים, והתרבות האחמרית המאוחרת או המשרקית. בחפירות של אתרים מהתקופה פליאוליתית עליונה נתגלו לצד כלי הצור חפצי אומנות מעצם ומקרן, חרוזים וכלי כתישה מעטים.