Khi người hiện đại sơ khai (Homo sapiens) di cư vào Châu Âu, họ tiếp xúc với người Neanderthal (H. neanderthalensis) đã có mặt ở đó từ hàng trăm ngàn năm trước. Năm 2019, nhà cổ nhân học người Hy Lạp Katerina Harvati và đồng sự lập luận rằng hai mẫu sọ 210.000 năm tuổi được tìm thấy trong Hang Apidima, Hy Lạp, thuộc về người hiện đại chứ không phải người Neanderthal — nếu điều này đúng thì chứng tỏ quần thể người hiện đại ở đây có một lịch sử lâu dài đáng ngạc nhiên[1] — song vào năm 2020, kết luận này bị bác bỏ bởi nhà cổ nhân học người Pháp Marie-Antoinette de Lumley (fr) và các đồng sự.[2] Khoảng 60.000 năm trước, giai đoạn đồng vị oxy 3 khởi phát, đặc trưng với các kiểu mẫu khí hậu hỗn loạn kèm theo sự thoái lui bất thường của rừng cây cạnh các khu vực thảo nguyên.[3]

Dấu hiệu sớm nhất về sự di cư của người hiện đại hậu kỳ đá cũ vào Châu Âu là một loạt các mảnh răng cùng nhiều công cụ đá thuộc kỹ nghệ Neronian ở Grotte Mandrin, Malataverne, Pháp. Một nghiên cứu năm 2022 định tuổi các mẫu vật vào khoảng 56.800-51.700 năm trước. Văn hóa Neronian là một trong những kỹ nghệ có liên hệ với người hiện đại mà được coi là sự quá độ từ trung kỳ sang hậu kỳ đá cũ.[4] Ngoài ra, ta cũng đã phát hiện kỹ nghệ Bohunician Balkan bắt đầu từ 48.000 năm trước, rất có thể là hậu duệ của kỹ nghệ Emiran Levant,[5] và các hóa thạch cổ thứ nhì có niên đại trong khoảng 45–43 ngàn năm trước ở Bulgaria,[6] Ý,[7] và Anh.[8] Không rõ những người này khi tây tiến đã men theo sông Danube hay theo đường bờ Địa Trung Hải.[9] Khoảng 45-44 ngàn năm trước, văn hóa tiền-Aurignac — nền văn hóa hậu kỳ đá cũ Châu Âu được công nhận rộng rãi nhất, có lẽ phát sinh từ văn hóa Ahmar Cận Đông — đã di tản khắp Châu Âu. Sau thời điểm 40.000 năm trước, đồng thời với sự kiện Heinrich 4, văn hóa Aurignac lõi biến đổi ở miền Nam-Trung Châu Âu, rồi nhanh chóng thay thế tất cả các nền văn hóa khác trên lục địa.[10] Làn sóng nhập cư này của người hiện đại đã thay thế các quần thể Neanderthal cũng như kỹ nghệ Moustier của họ.[11] Ở thung lũng Danube, nếu so sánh với các nền văn hóa trước, các địa điểm khảo cổ thuộc văn hóa Aurignac rất thưa thớt và lẻ tẻ cho tới tầm 35.000 năm trước. Từ đó trở đi, "văn hóa Aurignac Điển hình" cực kỳ phổ biến và kéo dài cho tới 29.000 năm trước.[12]

Văn hóa Aurignac từng bước một bị thế chỗ bởi văn hóa Gravette, song ta chưa rõ văn hóa Aurignac tuyệt diệt khi nào bởi vì định nghĩa của nó còn mơ hồ. Các công cụ "Aurignacoid" (có dạng thù Aurignac) hoặc "Epi-Aurignac" đã được xác định là tồn tại cho đến khoảng 18-15 nghìn năm trước.[12] Hơn nữa ta cũng chưa rõ văn hóa Gravette bắt nguồn từ đâu, bởi lẽ nó rất khác biệt so với văn hóa Aurignac (có lẽ không phải hậu duệ).[13] Dẫu vậy, bằng chứng di truyền cho thấy dòng dõi Aurignac đã hoàn toàn tuyệt nòi.[14] Các giả thuyết về sự nở rộ của văn hóa Gravette bao gồm sự chuyển biến ở Trung Âu từ văn hóa Szeleta (phát triển từ văn hóa Bohunician) tồn tại từ 41-37 nghìn năm trước; hoặc từ văn hóa Ahmar hoặc các nền văn hóa tương tự tồn tại ở Cận Đông hoặc dãy Kavkaz trước thời điểm 40.000 năm trước.[13] Hơn nữa cũng có tranh cãi tương ứng về niên đại xuất hiện sớm nhất của kỹ nghệ Gravette: giả thuyết trước thì cho rằng nó tọa lạc ở Đức tầm 37.500 năm trước,[15] còn giả thuyết sau cho rằng nó là mái đá Buran-Kaya (ru) III 38-36 nghìn năm tuổi ở bán đảo Krym.[16] Dù gì đi chăng nữa, văn hóa Gravette xuất hiện đúng thời điểm khí hậu Trái Đất hạ nhiệt đáng kể.[3] Quần thể nền móng của tất cả người EEMH hậu thế đã từng tồn tại vào khoảng 37.000 năm trước, và Châu Âu sẽ tiếp tục bị cô lập về mặt di truyền khỏi phần còn lại của thế giới trong vòng 23.000 năm tới.[14]

Khoảng 29.000 năm trước, giai đoạn đồng vị oxy 2 bắt đầu, khiến nhiệt độ toàn cầu sụt giảm. Quá trình này đạt đỉnh điểm tầm 21.000 năm trước trong Cực đại băng hà cuối cùng (LGM) khiến Scandinavia, vùng Baltic, và Quần đảo Anh bị phủ băng hà, và tạo điều kiện cho băng mùa đông lan tới tận bờ biển Pháp. Dãy Alps cũng bị đóng băng và phần lớn Châu Âu biến thành hoang mạc địa cực. Vùng bờ Địa Trung Hải bị chi phối bởi đồng bằng ma-mút và đồng bằng xen lẫn rừng cây.[3] Theo hệ quả, phần lớn Châu Âu không thích hợp cho con người định cư, và hai văn hóa hoàn toàn mới xuất hiện để thích ứng với môi trường đổi thay: văn hóa Solutré ở tây nam Châu Âu, phát minh ra nhiều kỹ thuật mới; và văn hóa Epi-Gravette trải dài từ Ý tới Đồng bằng Đông Âu, cải biến các kỹ thuật Gravette trước đó. Tộc Solutré chiếm cứ khu vực đóng băng vĩnh cửu, còn tộc Epi-Gravette bị mặc kẹt ở những vùng tuy ít khắc nghiệt hơn song vẫn đóng băng theo mùa. Rất ít di chỉ khảo cổ trong khoảng niên đại này đã được phát hiện.[17] Các sông băng bắt đầu thoái lui vào khoảng 20.000 năm trước, và văn hóa Solutré đã diễn tiến thành văn hóa Magdalénien rồi tái chiếm Tây-Trung Âu trong vòng vài nghìn năm kề sau.[3] Bắt đầu từ sự kiện Dryas Già (khoảng 14.000 năm trước) trở đi, các truyền thống Magdalénien cuối cùng như Azilian, Hamburgian, và Creswellian, mới dần xuất hiện.[18] Trong giai đoạn ấm Bølling–Allerød, các gen Cận Đông bắt đầu hiện diện ở người Châu Âu, báo hiệu sự kết thúc cô lập di truyền tại lục địa này.[14] Có lẽ do động vật lớn ngày một khan hiếm, văn hóa Magdalénien và Epi-Gravette dần bị thay thế hoàn toàn bởi kỹ nghệ đồ đá giữa khi Châu Âu bước vào thế Toàn Tân.[18][19]

Người hiện đại đã hoàn toàn tái định cư Châu Âu vào đợt tối ưu khí hậu Toàn Tân (9-5 nghìn năm trước). Quần thể săn bắt-hái lượm phía tây (Western Hunter-Gatherers hay WHG) đồ đá giữa, cùng với quần thể Bắc Á-Âu cổ (Ancient North Eurasians hay ANE) hậu duệ của văn hóa Mal'ta–Buret' Siberi[20] và quần thể săn bắt-hái lượm Caucasus (Caucasus Hunter-Gatherers hay CHG), đã đóng góp phần lớn thành phần di truyền của họ vào bộ gen người Châu Âu ngày nay (một bộ gen Âu châu điển hình có thể chứa từ 40–60% thành phần WHG). Di cốt Loschbour 8.000 năm tuổi thuộc thời đại đồ đá giữa dường như cũng có thành phần di truyền tương tự. Nông dân thời đại Đồ đá mới ở Cận Đông, tách ra từ các quần thể săn bắt-hái lượm Châu Âu khoảng 40.000 năm trước, đã tỏa khắp Châu Âu vào thời điểm 8.000 năm trước, mở ra thời đại đồ đá mới với các quần thể Nông dân Âu châu Sơ khai (EEF). EEF đóng góp 30% thành phần tổ tiên cho các quần thể Baltic ngày nay, và lên tới 90% cho các quần thể Địa Trung Hải ngày nay. Quần thể Địa Trung Hải có lẽ thừa kế di truyền từ WHG thông qua quá trình xâm nhập gen EEF.[20][21] Quần thể săn bắt-hái lượm phía đông (EHG) xác định quanh dãy núi Ural cũng đã phát tán, và quần thể săn bắt-hái lượm Scandinavia (SHG) có vẻ là sự hỗn dung giữa WHG và EHG. Khoảng 4.500 năm trước, các nền văn hóa Yamna và Corded Ware từ những đồng cỏ phương đông đã mang đến Châu Âu đồ đồng, tiếng Ấn-Âu nguyên thủy, và ít nhiều thành phần di truyền như ngày nay mà ta thấy ở người Châu Âu.[22]