"Người Nguyên Mưu" (元谋人), hóa thạch của người đứng thẳng (Homo erectus) được những người xây dựng đường sắt khai quật trong thập niên 1960, đã được xác định là hóa thạch người cổ nhất đã biết đến ở Trung Quốc. Vào thời kỳ đồ đá mới, ở đây đã có sự định cư của con người trong khu vực hồ Điền Trì (滇池). Những người nguyên thủy này sử dụng các công cụ bằng đá và đã xây dựng được các công trình đơn giản bằng gỗ.

Vào khoảng thế kỷ III TCN, khu vực trung tâm của Vân Nam, xung quanh Côn Minh ngày nay đã được gọi là Điền. Năm 279 TCN một viên tướng nước Sở là Trang Giao hay Trang Kiệu (庄跤/庄峤) đã từ thượng nguồn sông Dương Tử tiến vào khu vực này, lập ra nước Điền và tự xưng là "vua nước Điền". Ông và những người kế nghiệp ông đã mang tới Vân Nam ảnh hưởng của người Hán, sự khởi đầu của một lịch sử lâu đời các cuộc di cư và sự mở rộng ảnh hưởng văn hóa.

Năm 221 TCN, Tần Thủy Hoàng thống nhất Trung Quốc và mở rộng quyền lực của mình xuống phía nam. Các châu và huyện đã được thiết lập tại đông bắc Vân Nam. Đường giao thông đang có tại Tứ Xuyên đã được mở rộng về phía nam tới gần Khúc Tĩnh (曲靖) ngày nay, ở miền đông Vân Nam - được gọi là "Ngũ xích đạo" (đường 5 thước). Năm 109 TCN, Hán Vũ Đế phái Vương Thiên Vũ đến đất Điền tuyên truyền sức mạnh của quân Hán nhưng Điền Vương ỷ có mấy vạn binh sĩ lại có những bộ tộc cùng họ ở phía đông bắc là Lao Thâm, Mạc My ủng hộ nên không chịu quy phục. Năm 109 TCN, Vũ Đế điều động quân Ba Thục tấn công tiêu diệt Lao Thâm, Mạc My xua quân tiến sát đất Điền. Điền Vương xin đầu hàng, Nhà Hán giao quyền cho tướng Quách Xương đặt quận Ích Châu với 24 huyện trực thuộc. Nơi đặt trụ sở của quận này là huyện Điền Trì (ngày nay là Tấn Ninh). Về sau lại hàng phục được Côn Minh sáp nhập vùng này vào quận Ích Châu.

Một huyện khác được gọi là "Vân Nam", có lẽ là lần sử dụng đầu tiên của tên gọi này. Để mở rộng quan hệ thương mại mới hình thành với Miến Điện và Ấn Độ, Hán Vũ Đế còn giao cho Đường Mông (唐蒙) nhiệm vụ bảo trì và mở rộng Ngũ xích đạo, đổi tên nó thành "Tây Nam Di đạo" (西南夷道). Vào thời gian đó, kỹ thuật canh tác trong nông nghiệp ở Vân Nam đã được cải thiện rõ rệt. Người dân địa phương sử dụng các công cụ và cày bừa bằng đồng thau cũng như chăn thả nhiều loại gia súc, như trâu, bò, ngựa, cừu, dê, lợn và chó.

Các nhà nhân loại học đã xác định là những người này có quan hệ họ hàng gần với những người mà ngày nay gọi là người Thái. Họ sinh sống theo bộ tộc, đôi khi được những người Hán bị lưu đày đứng đầu.

Trong thời kỳ Tam Quốc, lãnh thổ của Vân Nam ngày nay, Kiềm Tây (黔西) và miền Nam Tứ Xuyên được gọi chung là "Nam Trung" (南中). Sự tan rã của quyền lực trung ương tại Trung Quốc đã làm gia tăng tính tự trị của Vân Nam cũng như tăng thêm quyền lực cho các bộ tộc địa phương. Năm 225, một chính trị gia nổi tiểng là Thừa tướng nhà Thục Gia Cát Lượng (诸葛亮) đã dẫn quân đến Vân Nam để dẹp yên các bộ tộc này.

Vào thế kỷ IV, miền Bắc Trung Quốc chủ yếu bị những bộ tộc từ Trung Á tràn sang. Vào thập niên 320, thị tộc Thoán (爨) đã di cư tới Vân Nam. Thoán Sâm (爨琛) tự xưng làm vua và duy trì quyền lực tại Điền Trì (khi đó gọi là Côn Xuyên 昆川). Từ đó trở đi, thị tộc này đã cai quản Vân Nam trên 400 năm.