Una de las ramas de la antropología física tiene como propósito reformar la línea evolutiva del hombre. En la década de 1960 los paleoantropólogos Louis Seymour Bazett Leakey, su cónyuge Mary Douglas Leakey y su hijo Richard Erskine Leakey hallaron una serie de fósiles en la garganta de Olduvai, África oriental, que desencadenó una revisión penetrante de la evolución biológica de los seres humanos. Los restos fósiles desenterrados a finales de 1970 y 1980 suministraron después contrastes adicionales, en el sentido de que el género Homo coexistió en África oriental con otras formas evolucionadas de hombre-simio conocidas como australopitecinos hace más de 4 millones de años. Estos dos homínidos son al parecer descendientes de un fósil etíope, el Australopithecus afarensis, que tiene una antigüedad datada entre 3 y 3,7 millones de años —la famosa Lucy, descubierta en 1974, es uno de los fósiles encontrados.
Estos antiguos predecesores del hombre tenían las piernas y el cuerpo adaptados para caminar erguidos (véase Bipedación), lo cual dejaba sus manos libres para manipular diversos utensilios. Después, investigadores de la Universidad de California descubrieron muchos fósiles en la garganta de Olduvai, lo que reforzó aún más la proposición de la irregularidad del proceso de evolución humana. Este nuevo fósil tenía en torno a 1,8 millones de años de antigüedad, presentaba huesos de los brazos y las piernas que corroboraban una locomoción vertical parcialmente evolucionada, sin embargo su aptitud craneana reducida y indicadas distinciones de estatura entre hombres y mujeres no diferían demasiado de Lucy.
Algunos utensilios de piedra sin tallar, encontrados con ciertos fósiles de Homo en yacimientos del este de África, revelan que hace casi 3 millones de años ya eran aptos de fabricar herramientas. Esta habilidad técnica contribuyó al aparente éxito evolutivo del Homo habilis. En comparación con los australopitecinos vegetarianos, los predecesores modernos de los seres humanos, tipo Homo habilis, parecen haber evolucionado al incorporar la carne como parte fundamental de su dieta alimenticia, a juzgar por la disposición de los dientes y el uso de ciertas herramientas.
A medida que han ido aumentando los hallazgos de fósiles homínidos, al parecer fue en África, y no en Asia, donde sucedía la primera hominización. Los fósiles de Homo habilis apuntan hacia una criatura de unos 91 cm de estatura, con una aptitud craneana de unos 600 cm3. Pero, se han encontrado en África oriental restos de una especie mayor de Homo con aptitud craneana superior a los 800 cm3, de unos 1,5 millones de años de antigüedad. Este protohumano mayor, denominado normalmente Homo erectus, se difundió desde África hacia Europa y Asia hace en torno a un millón de años, y desarrolló una variedad más completa de herramientas.
Los restos más conocidos del Homo erectus son el célebre hombre de Java, que antes se conocía técnicamente como Pithecanthropus, así como el igualmente célebre hombre de Pekín, una recopilación de constituyentes de esqueletos encontrados en Zhoukoudian, cerca de Pekín (China), y que en principio recibió el nombre de Sinanthropus pekinensis. Ambos son mucho más recientes que los yacimientos que conforman el Homo habilis de África oriental, y se remontan a 750.000 y 300.000 años. Los fósiles del hombre de Pekín son especialmente atrayentes, ya que el tamaño del cerebro es incluso mayor que el de Java, con un promedio superior a los 1.050 cm3, y cuyo cráneo y otros elementos óseos son ligeramente más modernos. Igualmente se han encontrado fósiles de Homo erectus en Europa y en África junto a muchos utensilios de piedra y otras herramientas, que prueban la existencia de una sociedad de cazadores-recolectores muy básica. En Zhoukoudian, los arqueólogos se hallaron con el revelación más antiguo del uso del fuego por el hombre, así como algunos indicios de canibalismo.
Hay antropólogos que consideran como antepasados directos del hombre a los ejemplares de Neandertal y a las docenas de fósiles emparentados; otros piensan que sólo son una ramificación del Homo sapiens que se extinguió hace decenas de miles de años. Se calcula que hace entre 100.000 y 35.000 años, los hombres de Neandertal ya eran una población de cazadores-recolectores extendida por gran parte de Europa y de Oriente Próximo; de constitución robusta y cejas espesas, con aptitud craneana de unos 1.500 cm3, mayor que la de gran parte de los Homo sapiens sapiens, especie a la que pertenecemos los seres humanos modernos. Se han encontrado fósiles que algunos consideran intermedios entre los de Neandertal y el Homo sapiens sapiens. Estos restos podrían ser la prueba del cruce de los Neandertal con los antepasados directos del hombre, o simplemente evidencian una montón de variantes dentro de la misma población de Homo sapiens (las proposición más modernas se inclinan hacia el primer supuesto). Desde las últimas fases de los periodos glaciales, en Europa, África y otros muchos enclaves se han acontecido los hallazgos de un sinfín de restos fósiles que se asemejan al hombre moderno.
En el continente americano, sin embargo, ningún rastro humano tiene más de 15.000 años, y los exclusivos ejemplares óseos que cuentan algunos miles de años pertenecen todos al Homo sapiens sapiens. Por tanto, parece que la evolución biológica que derivó en el hombre moderno tuvo lugar en el Viejo Mundo.
