Phạm vi thời gian của giai đoạn này rất mơ hồ, bị tranh cãi, và khác nhau tùy theo vùng. Trong khi không thể đưa ra được một giai đoạn "Thời kỳ đồ đá" chung cho toàn nhân loại, một số nhóm người không bao giờ phát triển kỹ thuật nấu chảy kim loại, vì vậy họ vẫn ở trong "Thời kỳ đồ đá" cho tới khi họ gặp những nền văn hóa có kỹ thuật phát triển hơn. Tuy nhiên, nói chung, mọi người tin rằng thời kỳ này đã bắt đầu vào khoảng 3 triệu năm trước, bắt đầu cùng lúc với vượn người biết chế tạo dụng cụ ở Châu Phi. Đa số những người vượn phương Nam có lẽ đã không sử dụng dụng cụ đá (mặc dầu có lẽ chúng đã được phát minh bởi Paranthropus robustus) nhưng việc nghiên cứu những di vật của họ vẫn đang để dành cho các nhà khảo cổ học nghiên cứu về giai đoạn này.

Năm 2010, các mẫu xương động vật hóa thạch được gọt đẽo từ các công cụ đồ đá được phát hiện trong thung lũng Hạ Awash ở Ethiopia. Nhóm công tác quốc tế do Shannon McPherron dẫn đầu đã phát hiện ra rằng các công cụ đồ đá cổ nhất đã từng được sử dụng có tuổi 3,4 triệu năm.[1] Các công cụ đồ đá cổ nhất từng được biết đến đã được khai quật ở nhiều nơi thuộc Gona, Ethiopia, trong các trầm tích cổ của sông Awash. Tất cả các công cụ trong hệ tầng Busidama, nó nằm trên một bất chỉnh hợp (thiếu lớp) có tuổi từ 2,9 đến 2,7 triệu năm. Các vị trí khảo cổ cổ nhất có chứa công cụ đồ đá định tuổi được từ 2,6–2,55 triệu năm.[2]

Vì sự phong phú của đồ vật tạo tác bằng đá, chúng thường là những di vật duy nhất còn sót lại, việc phân tích đá là cách chính và chuyên biệt để khảo sát về giai đoạn này. Nó liên quan tới việc đo đạc các công cụ bằng đá để xác định các kiểu hình thức, chức năng và kỹ thuật có liên quan của công cụ. Thường là phân tích cách đẽo đá từ nguyên liệu thô, nghiên cứu cách thức chế tác thực tế của những vật đó. Điều này cũng có thể được xem xét dựa trên khảo cổ học thực nghiệm, bằng cách cố sức tạo ra các dụng cụ tương tự. Việc này được thực hiện bởi những người tạo tác đá lửa, họ đẽo một viên đá lửa để tạo ra một công cụ bằng đá lửa.

Cách sử dụng mới của thuật ngữ

Một vấn đề với thuật ngữ này là nó ngụ ý rằng sự tiến bộ của loài người và các giai đoạn thời đại ở tiền sử chỉ được đo đạc bằng kiểu dụng cụ được sử dụng nhiều nhất ở thời gian đó, hơn là, ví dụ, kiểu tổ chức xã hội, nguồn thức ăn được khai thác, hay sự thích nghi theo các kiểu khí hậu khắc nghiệt. Đây là một sản phẩm của mức độ hiểu biết về quá khứ đã xa ở thế kỷ 19 khi hệ thống ba thời kỳ được phát triển, thời điểm mà việc tìm ra các dụng cụ tạo tác là mục đích chính của một cuộc khai quật khảo cổ. Các kỹ thuật khảo cổ hiện đại mang lại nhiều thông tin hơn và giúp chúng ta có được hiểu biết tốt hơn về thời tiền sử và nêu ra những sự phân chia rõ ràng cho thuật ngữ "Thời đồ đá" đã ngày càng lỗi thời. Hiện nay chúng ta biết rằng những thay đổi trong xã hội quá khứ trong hàng nghìn năm là rất phức tạp và liên quan tới nhiều nhân tố như sự chấp nhận nông nghiệp, định cư hay tôn giáo và rằng việc sử dụng công cụ chỉ là một dấu hiệu không mang ý nghĩa đại diện cho thực tiễn và đức tin của một xã hội.

Một vấn đề khác liên quan tới thuật ngữ Thời kỳ đồ đá là nó được tạo ra để miêu tả văn hóa khảo cổ của Châu Âu, và rằng nó không thích hợp để sử dụng trong mối quan hệ với các vùng như một số vùng ở Châu Mỹ và Châu Đại Dương, nơi những người trồng cấy hay những người săn bắt và hái lượm sử dụng công cụ bằng đá tới tận khi công cuộc thực dân hóa của người châu Âu bắt đầu. Việc chế tác kim loại là một thứ không có tầm quan trọng lớn đối với người dân ở đó và nên dùng những thuật ngữ khác để phân chia thời tiền sử ở những vùng đó. Một sự phi lý giống như vậy khi áp đặt Thời đại đồ sắt ra khắp thế giới, bởi vì sắt (không phải đồng, bạc hay vàng) không được biết tới ở châu Mỹ cho tới tận năm 1492, ở châu Đại Dương tới tận thế kỷ 17.

Tiếp sau Thời kỳ đồ đá thường là Thời kỳ đồ đồng, trong đó kỹ thuật chế tác kim loại cho phép các công cụ bằng đồng (đồng và thiếc hay các kim loại khác) trở nên nhiều hơn. Sự chuyển giao của thời đồ đá diễn ra khoảng giữa 6000 TCN và 2500 TCN đối với đa số dân cư sống tại Bắc Phi, châu Á và châu Âu. Ở một số vùng, như Hạ Sahara châu Phi, thời đại đồ đá được nối tiếp trực tiếp bởi thời đồ sắt. Mọi người thường cho rằng các vùng ở Trung Đông và Đông Nam Á đã tiến triển vượt qua kỹ thuật thời đồ đá vào khoảng năm 6000 TCN. châu Âu và phần còn lại của châu Á đã ở thời xã hội hậu đồ đá vào khoảng năm 4000 TCN. Các nền văn hóa tiền-Inca ở Nam Mỹ tiếp tục ở trình độ thời đồ đá đến tận khoảng năm 2000 TCN, khi vàng, đồng và bạc bắt đầu xuất hiện, những nơi khác xảy ra muộn hơn. Australia vẫn ở thời đồ đá tới tận thế kỷ 17.

Chúng ta cũng biết rằng sự chuyển đổi từ Thời đồ đá sang Thời đồ đồng không phải là một thời điểm rõ ràng mà lâu dài, sự chế tác vàng và đồng dần xuất hiện ở những điểm ở Thời đồ đá mới. Giai đoạn "chuyển tiếp" này được gọi là Thời đồ đồng hay Chalcolithic. Nó là một sự phát triển ngắn và mang nhiều tính địa phương bởi vì việc tạo hợp kim thiếc với đồng đã bắt đầu khá sớm, trừ khi tại những vùng không có thiếc. Ví dụ Người băng Ötzi, một xác ướp từ khoảng năm 3300 TCN có mang bên mình một cái rìu đồng và một con dao bằng đá lửa. Việc chế tạo công cụ bằng đá vẫn tiếp diễn ngay cả ở thời đại dùng đồ kim loại, có lẽ tới tận đầu thời Trung Đại. Tại châu Âu và Bắc Mỹ, những chiếc cối xay đá vẫn được dùng tốt ở thế kỷ 20, và hiện vẫn đang được dùng ở nhiều nơi trên thế giới.