Sobre los primeros hombres que habitaron el País Vasco poseemos restos en diferentes cuevas vascas, era el hombre de Neanderthal (cuevas de Axlor, Lezetxiki, Olha, Arrillor, Gatzarria...), que vivió en nuestras tierras entre los años 100.000 y 35.000 a.C.. Sin embargo, una nueva especie surgirá entre los homínidos, el homo sapiens sapiens (a la que pertenece la humanidad actual), cuya manifestación europea recibe la denominación de hombre de Cromagnon y que sustituirá al Neanderthal europeo a partir del Paleolítico superior.
En el País Vasco hay más de setenta lugares con señales de ocupación humana durante el Paleolítico superior occidental (desde el 35.000 al 8.500 a.C.), la mayoría son cuevas no muy alejadas de la costa y a escasa altitud, de las más importantes: Altxerri (Guipúzcoa), Santimamiñe (Vizcaya), 
Ekain (Guipúzcoa) o Isturitz (Baja Navarra). Los que allí vivían eran cazadores que practicaban en cuadrillas el ojeo, acoso y captura de las piezas, para conseguir carne, pieles y cueros, huesos y astas. Sus piezas preferentes son el ciervo (o el reno, en circunstancias climáticas más frías) u otros animales como las cabras montesas y los sarrios en zonas escarpadas, y caballos, bisontes y uros en espacios abiertos y de praderas. Los grupos de cazadores marchaban varias veces al año desde sus zonas habituales de acampada (en las cuevas mejor instaladas) a territorios próximos para abastecerse de otros recursos.
Ekain (Guipúzcoa) o Isturitz (Baja Navarra). Los que allí vivían eran cazadores que practicaban en cuadrillas el ojeo, acoso y captura de las piezas, para conseguir carne, pieles y cueros, huesos y astas. Sus piezas preferentes son el ciervo (o el reno, en circunstancias climáticas más frías) u otros animales como las cabras montesas y los sarrios en zonas escarpadas, y caballos, bisontes y uros en espacios abiertos y de praderas. Los grupos de cazadores marchaban varias veces al año desde sus zonas habituales de acampada (en las cuevas mejor instaladas) a territorios próximos para abastecerse de otros recursos.
El hombre dibuja figuras de animales, alguna referencia a lo humano y un variado repertorio de signos geométricos de significado desconocido, como pinturas y grabados en las paredes de las cuevas (el arte rupestre) y grabados o relieves sobre soportes menores (el arte mobiliar: en trozos de piedra, hueso, asta o marfil). Su máxima concentración se da en el sudoeste de Europa (Dordoña, Pirineos y cornisa cantábrica) lo que se ha venido a llamar civilización franco-cantábrica cuyo apogeo se da desde el Magdaleniense Medio hasta el Final, siendo considerada por algunos antropólogos e historiadores como la antecesora de la actual cultura vasca. Las pinturas rupestres de Altxerri, en Guipúzcoa, son las más antiguas de Europa, datadas en 39.000 años. Los recientes estudios en paleogenética apuntan a una expansión protovasca durante el magdaleniense, que se extendió al norte hasta Rusia y al sur hasta Túnez.
El tiempo menos frío y más húmedo del final de la Última Glaciación y el avance del actual clima u Holoceno provoca importantes transformaciones de la cubierta vegetal y la fauna. Durante tres milenios se suceden las culturas del Epipaleolítico antiguo (8.500 / 8.200 a 6.800 a.C.) y del Epipaleolítico pleno o Mesolítico (6.800 a 5.500 a.C.). La sustitución de especies animales requiere el desarrollo de nuevas técnicas de caza y de un equipo de armas eficaz (surgen las flechas lanzadas con arco). Se amplían los recursos alimenticios procedentes de los bosques de hoja caediza (castañas, avellanas, hayucos y bellotas) y de estuarios y marismas costeras. Son frecuentes en el Epipaleolítico y Mesolítico, como despojos de las comidas, restos de peces y acumulaciones de conchas en rincones de las cuevas (por ejemplo en la cueva de Santimamiñe la mayoría son conchas de ostras, pero también de chirlas, lapas, mejillones y caracoles). Para la pesca y el marisqueo había redes, anzuelos de hueso y picos de piedra para desprender las conchas de la roca.
En el Epipaleolítico antiguo se dan la cultura Aziliense y el postaziliense laminar, unas culturas que prolongan y liquidan el Magdaleniense precedente. En el Epipaleolítico antiguo se vive en muchas de las mismas cuevas que a fines del Paleolítico Superior, con similares sistemas de caza e instrumentos; y se da la práctica liquidación del vistoso arte del Paleolítico Superior. Entre otros representan bien el Aziliense (8.500 a 7.500 / 7.000 a.C.) niveles de las cuevas de Santimamiñe (Vizcaya), Bolinkoba (Vizcaya), Lezetxiki (Guipúzcoa), Urtiaga (Guipúzcoa), Ekain (Guipúzcoa) o Isturitz (Baja Navarra). Del postaziliense son representantes el Montico de Txarratu (Álava) y las cuevas navarras de Berroberria y Zatoia.
En el Mesolítico surge el utillaje geométrico que se caracteriza por un sofisticado conjunto de pequeñas puntas de flecha de forma geométrica (trapecios, triángulos y segmentos de círculos). Se datan estos hallazgos en poco antes del séptimo milenio a.C. y sus estratos se entremezclan ya, en muchas cuevas, con los del Neolítico. El espacio habitado del País Vasco se amplía, ocupándose, por primera vez, cuevas o abrigos rocosos bastante alejados de la costa y en latitudes de media montaña: Fuente Hoz en Álava y la Peña, Padre Areso y Aizpea en Navarra. En el Mesolítico final coexisten las tradiciones laminar y geométrica con una incorporación lenta de algunas de las novedades del Neolítico.
En el período Atlántico (5.500 a 3.000/2.500 a.C.) se alcanza el considerado "óptimo climático", más cálido y más humedo que ahora, continúa el desarrollo del Mesolítico y se da la expansión de las novedades del Neolítico
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