Pierwsze kości rozpoznane oficjalnie jako neandertalskie odkryto w jaskini Feldhofer w dolinie Neander w 1856 roku. Potwierdzenie przypuszczenia, że chodzi o zupełnie wyjątkową, odrębną populację czy gatunek – że znaleziony osobnik nie był jedynie mocno zniekształcony – pojawiło się wraz z odsłonięciem pary szkieletów w Spy w Belgii, ośmiu osobników w La Ferrassie we Francji oraz niemal kompletnego szkieletu w La Chapelle-aux-Saints, również we Francji. Wiek tych neandertalskich znalezisk oszacowano następująco: od 70 tysięcy lat (górna granica datowania materiałów z La Ferrassie) do 36 tysięcy lat (Spy).
W latach późniejszych udało się odkryć inne niemal kompletne szkielety neandertalczyków, datowane na ten sam okres. Archeolog Paul Pettitt sporządził listę znalezisk sugerujących pewne elementy pochówku. Dowodzi ona, że w porównaniu z okresem wcześniejszym, z którego pochodzi tylko kilka stanowisk, w tym przypadku dysponujemy już względnie bogatym materiałem archeologicznym. We Francji mamy osobnika z La Quina, dwóch w Le Moustier, jednego w Roc de Marsal i jednego w Saint-Césaire (ten ostatni wydaje się najważniejszy, o czym jeszcze za chwilę powiemy). W Syrii odkryto dwoje dzieci w jaskini Dederiyeh. Na Krymie mamy dwóch neandertalczyków w Kiik-Koba oraz trzech na stanowisku Zaskalnaja. W Rosji odkryto neandertalskiego noworodka w Jaskini Mezmajskiej u podnóża Kaukazu.
DNA i mocno zużyte zęby
Do tej listy należy dodać dwa stanowiska, na których znaleziono neandertalskie kości noszące ślady kanibalizmu. Są to El Sidrón w Hiszpanii, gdzie w 1994 roku odkryto szczątki dwunastu neandertalczyków, oraz jaskinia Vindija w Chorwacji, gdzie kilka warstw osadów badano intensywnie na początku i pod koniec XX wieku. Z obu tych stanowisk udało się uzyskać cenny materiał do badań neandertalskiego DNA.
Szczątki neandertalczyków znajdowano również na innych stanowiskach z tego okresu, ale te wskazane powyżej mają największe znaczenie. Pod koniec lat siedemdziesiątych XX wieku badacze zaczęli wyznaczać formalne kryteria definiujące neandertalczyka, opierając się przede wszystkim na kościach zebranych pod koniec XIX i na początku XX wieku. Albert Santa Luca i Jean-Jacques Hublin wskazali cztery charakterystyczne cechy czaszki neandertalskiej. Chodzi o konkretne elementy budowy tylnej jej części, związane najprawdopodobniej z koniecznością podtrzymywania bardzo mocnych mięśni okolic żuchwy. Jeśli chodzi o przód czaszki, to również brak wyraźnie zarysowanego policzka miał najprawdopodobniej związek z koniecznością intensywnego przeżuwania. Czaszka neandertalczyka zdawała się pochylona ku przodowi, co niektórzy badacze porównywali do aerodynamiki samochodu wyścigowego. Niewykluczone, że dzięki takiej budowie twarzy neandertalczykowi łatwiej było używać szczęki jako imadła. Takie wyjaśnienie mogą potwierdzać znaleziska świadczące o mocnym zużyciu zębów.
Jeffrey Schwartz i Ian Tattersall uzupełnili listę kryteriów diagnostycznych o kilka elementów związanych z wielkością jamy nosowej. Neandertalczyk miał bardzo duży i szeroki nos. Antropolodzy tłumaczą to na różne, często sprzeczne ze sobą sposoby. Niektórzy twierdzą, że była to forma przystosowania do zimnego klimatu (chodziło o to, aby ogrzewać wdychane powietrze), inni zaś przekonują, że chodziło raczej o chłodzenie organizmu (co było niezbędne z uwagi na rozkręcony metabolizm neandertalczyka). Jeszcze inni przypuszczają, że wielkość jamy nosowej mogła być dziełem przypadku i nie ma sensu doszukiwać się tu wyjaśnienia adaptacyjnego.