Vào cuối bậc Pleistocen muộn, mực nước biển thấp hơn khoảng 140 m so với ngày nay, tầng đáy nông của eo biển Đài Loan trở thành một cầu lục địa cho phép các động vật ở lục địa có thể vượt qua.[2] Bằng chứng cổ xưa nhất về sự xuất hiện của con người trên đảo Đài Loan bao gồm ba mảnh sọ và một răng hàm được tìm thấy tại Xú Quật (臭屈) và Cương Tử Lâm (岡子林), tại khu Tả Trấn, thành phố Đài Nam. Các mẫu vật này có niên đại từ 20.000 đến 30.000 năm.[3][4] Các hiện vật lâu đời nhất là các công cụ đá cuội được đẽo thuộc nền văn hóa thời đại đồ đá cũ được tìm thấy trong bốn hang động ở Trường Tân, Đài Đông, có niên đại từ 15.000 đến 5.000 năm trước, và chúng tương tự như các hiện vật tại các di chỉ cùng thời kỳ tại Phúc Kiến. Một nền văn hóa tương tự cũng được tìm thấy tại mũi Nga Loan ở cực nam của Đài Loan, đã tiếp tục tồn tại cho đến 5.000 năm trước.[5][6] Vào lúc bắt đầu thế Toàn Tân vào khoảng 10.000 năm trước, mực nước biển dâng lên, tạo thành eo biển Đài Loan và tách rời hòn đảo khỏi lục địa châu Á.[2]

Khoảng năm 3.000 TCN, văn hóa Đại Bộn Khang thuộc thời đại đồ đá mới (đặt tên theo một nơi tại thành phố Tân Bắc) đột ngột xuất hiện và được truyền bá nhanh chóng ra các vùng ven biển của hòn đảo. Các di chỉ của nền văn hóa này có đặc trưng là các đồ gốm có đường vân, rìu đá được đánh bóng với đầu rìu làm bằng đá phiến. Các cư dân trồng lúa và kê, song cũng phụ thuộc rất nhiều vào việc đánh bắt các loài hải sản. Hầu hết các học giả tin rằng nền văn hóa này không có nguồn gốc từ người Trường Tân mà được đưa đến qua eo biển bởi những người là tổ tiên của thổ dân Đài Loan hiện nay, họ nói các ngôn ngữ Nam Đảo thời kỳ đầu.[7][8] Một số người này sau đó đã di cư từ Đài Loan đến các hòn đảo ở Đông Nam Á và sau đó ra khắp Thái Bình Dương và Ấn Độ Dương. Nhóm ngôn ngữ Mã Lai-Đa Đảo nay được nói trên một khu vực rộng lớn từ Madagascar đến Hawaii, đảo Phục Sinh và New Zealand, song chỉ tạo thành một nhánh của Ngữ hệ Nam Đảo, các nhánh khác của ngữ hệ này chỉ được tìm thấy tại Đài Loan.[9][10][11][12]

Kế thừa văn hóa Đại Bộn Khanh là một loạt các nền văn hóa khác trên khắp hòn đảo, bao gồm văn hóa Đại Hồ và văn hóa Doanh Bộ. Đồ sắt đã xuất hiện vào lúc bắt đầu thời Công Nguyên trong những nền văn hóa như Điểu Tùng.[13]

Các đồ tạo tác bằng kim loại sớm nhất là các hàng hóa thương mại, song vào khoảng năm 400 SCN, sắt rèn đã được sản xuất tại địa phương bằng cách sử dụng lò nung, một kỹ thuật có lẽ được đưa đến từ Philippines.[14]

Các bản văn gây tranh cãi có từ thời Trung Quốc cổ đại đã chỉ ra rằng người Hán có thể đã biết về sự tồn tại của đảo chính Đài Loan từ thời Tam Quốc, họ phân chia các hải đảo xa bờ với các tên gọi như Đại Lưu Cầu và Tiểu Lưu Cầu (từ nguyên, song có lẽ không phải là ngữ nghĩa, tương tự như quần đảo Ryūkyū (Lưu Cầu)), mặc dù không tên gọi nào trong đó tương ứng một cách rõ ràng với đảo chính Đài Loan.