แต่เดิมเชื่อกันว่าทั้งนีแอนเดอร์ทาล และมนุษย์สมัยใหม่ล้วนแต่วิวัฒนาการมาจาก โฮโม อิเร็กตัส เมื่อราว 300,000 ถึง 200,000 ปีที่แล้ว โดย โฮโม อิเร็กตัส ปรากฏตัวขึ้นเมื่อราว 1.8 ล้านปีก่อน และดำรงอยู่สืบเนื่องมาเป็นเวลานานในสายพันธุ์ย่อยต่าง ๆ ทั่วทวีปยูเรเชีย ต่อมาในช่วง 800,000 ถึง 400,000 ปีที่แล้ว มนุษย์นีแอนเดอร์ทาล และมนุษย์ Homo sapiens โบราณก็เริ่มวิวัฒนาการแยกออกจากกัน โดยปัจจุบันเชื่อว่ามนุษย์ โฮโม ไฮเดลเบอร์เจนซิส (Homo heidelbergensis) ซึ่งดำรงอยู่ระหว่าง 6 แสน ถึง 3 แสนปีก่อน เป็นบรรพบุรุษร่วมกันที่ใกล้ที่สุดของนีแอนเดอร์ทาล และมนุษย์สมัยใหม่ แต่หลักฐานทางพันธุกรรมจากฟอสซิล Sima de los Huesos ที่ตีพิมพ์ในปี ค.ศ. 2016 ดูจะชี้ว่า H. heidelbergensis ทั้งสายพันธุ์อาจจะถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของสายพันธุ์นีแอนเดอร์ทาล, ในฐานะ "นีแอนเดอร์ทาลบุพกาล" หรือ "pre-Neanderthal," ทำให้ช่วงเวลาแตกสายพันธุ์ระหว่างนีแอนเดอร์ทาล และมนุษย์สมัยใหม่อาจจะต้องย้อนกลับไปจนถึงช่วงเวลาที่ H. heidelbergensis ปรากฏตัวขึ้น