Первый череп неандертальца был найден в Бельгии ещё в 1829 году. Вторая находка 1848 года связана с английской военной базой на Гибралтаре. Но признаны эти первые находки неандертальскими позднее, в 1836 и 1864 годусоответственно.

Находка черепа, давшая название новому виду ископаемых людей, является уже третьей по хронологии выявления. Она найдена в 1856 году в Рейнской провинции, недалеко от Дюссельдорфа, в Неандерской долине (рекиДюссель, притока Рейна), в небольшом Фельдгоферском гроте, напротив более значительной Неандерской пещеры. Вход в этот грот был скрыт выступом скалы и слоями глины делювиального происхождения, покрывающей здесь всюду известняки. Так как поблизости находились каменоломни, то рабочие дошли до закрывающей грот скалы, взломали её и открыли пещеру, заполненную наносным илом. По удалении этого наноса открылся грот. Недалеко от входа, в глине, рабочие нашли несколько человеческих костей и неполный череп, которые доктор Фульрот приобрёл в собственность. Других костей или каких-нибудь изделий в пещерном иле найдено не было, тем не менее нахождение их в древнем наносе, в котором (в других пещерах той же долины, например, в отстоящей всего на 30 шагов так называемой Чёртовой комнате Teufelskammer) были найдены останки несомненно животных делювия, а равно вид костей, степень их сохранности, особенности черепа и т. д. побудили признать в них останки человека глубокой древности, имеющие большое значение для суждения о типе древнейшего европейского населения.

признал в этом черепе, а также и в костях конечностей, следы патологических изменений, вызванных рахитом, и высказал мнение, что это не расовый, а индивидуальный тип. Кроме того, он указал на некоторые черепа новейшего времени, выказывающие подобное развитие надбровных дуг и почти столь же покатый взад лоб. С опубликованием эволюционной теории Дарвина в 1859 году антропологи стали рассматривать неандертальцев как «промежуточное звено превращения обезьяны в человека». Современные представления о неандертальских людях отличаются от представленийXIX века.

Неандертальцы обладали средним ростом (около 165 см), массивным телосложением и большой головой необычной формы. По объёму черепной коробки (1400—1740 см³) они даже превосходили современных людей. Их отличали мощные надбровные дуги, выступающий широкий нос и очень маленький подбородок. Шея короткая и как будто под тяжестью головы наклонена вперёд, руки короткие и лапообразные. Существуют предположения, что они могли быть рыжими и бледнолицыми.

Анализ костного строения показывает, что дети неандертальцев выглядели как маленькие взрослые и, вероятно, их половая зрелость наступала уже к 8-10 годам. Средняя продолжительность жизни составляла 22,9 лет. Идентичность гена FOXP₂ (связанного с речью) у современного человека и неандертальца, а также строение голосового аппарата и мозга неандертальцев, позволяют сделать вывод о том, что они могли обладать речью.

Неандертальский подросток из пещерыТешик-Таш (Узбекистан) (Герасимов М. М.Биологический музей им. Тимирязева)

Мышечная масса неандертальца была на 30-40 % больше, чем у кроманьонца, скелет тяжелее. Также неандертальцы лучше приспособились к субарктическому климату, поскольку большая носовая полость лучше подогревала холодный воздух, тем самым снижая риск простуды.

Карен Штейдель-Намберс (англ. Karen Steudel-Numbers) из Висконсинского университета в Мадисоне определила, что вследствие плотного телосложения и укороченной берцовой кости, сокращающей шаг, энергетические затраты на передвижение у неандертальцев были на 32 % выше, чем у современного человека. При помощи модели Эндрю Фрейля (англ. Andrew W. Froehle) из Калифорнийского Университета в Сан-Диего и Стивена Черчилля (англ. Steven E. Churchill) из Университета Дьюка уточнено, что ежедневная потребность в пище неандертальца по сравнению с кроманьонцем, обитавшим в тех же климатических условиях, была больше на 100—350 килокалорий. А специальные химические исследования костной ткани показали, что неандертальцы постоянно ели мясо..

Учёные из Института эволюционной антропологии имени Макса Планка в Лейпциге (Германия) обнаружили у неандертальца ген, препятствующий усвоению молока (лактозы) в зрелом возрасте. Также в ходе исследований выяснилось, что неандертальцам были незнакомы многие наследственные заболевания современных людей — аутизм, болезнь Альцгеймера, синдром Дауна, шизофрения.