Los testimonios fósiles de los antecesores inmediatos del hombre moderno están repartidos entre los géneros Australopithecus y Homo, que al parecer emergieron hace aproximadamente 10 millones de años, dado el caso del Oreopithecus.

Durante el periodo comprendido entre los 30 y los 15 millones de años atrás, los simios se hallaban ampliamente distribuidos por el continente africano y, posteriormente, por el euroasiático. Aunque se han encontrado multitud de huesos y dientes fósiles, la forma de vida de los individuos de esta familia y sus relaciones constituyen hoy un tema de encendido debate entre los científicos. Uno de estos simios fósiles, el denominado Sivapithecus, parece compartir muchos rasgos con el actual gran simio asiático, el orangután, y es muy probable que fuera su antecesor inmediato. Sin embargo, ninguno de dichos fósiles ofrece pruebas concluyentes para ubicarlo en la línea de evolución que conduce a la subfamilia de los Homininos en general, o al género Homo en particular.

La comparación de las proteínas sanguíneas y el ADN de los grandes simios africanos con los del hombre moderno, indican que la línea de separación del hombre de sus ancestros, los chimpancés y los gorilas, se produjo en las etapas finales de la evolución. En consecuencia, muchos científicos consideran que esta escisión evolutiva pudo producirse hace unos 10 millones de años, lo que significa que el testimonio conocido de los fósiles homininos, que surge hace unos 6 millones de años, posiblemente se remonte hasta los albores de la línea del hombre moderno. Los futuros descubrimientos de fósiles tal vez permitan fijar de forma más precisa el momento en que los antecesores directos del moderno simio africano se escindieron del futuro hombre moderno, para así poder determinar el comienzo de su evolución.

El A. anamensis fue encontrado en yacimientos de Kenia y sus fósiles han sido datados en 4 millones de años atrás. Sus dientes molares eran muy largos, con una cubierta de esmalte muy gruesa. El A. afarensis vivió en África oriental hace unos 3,7 millones de años y sus fósiles fueron descubiertos en la región Afar de Etiopía y en Tanzania. Se han hallado numerosos fósiles, incluido el esqueleto parcial de Lucy, probablemente el fósil de homínido más famoso. Los A. afarensis tenían un tamaño de cerebro ligeramente mayor que los chimpancés (entre 350 y 500 cm3). Algunos individuos poseían dientes caninos algo más prominentes que los que tendrían los homininos posteriores. No se han encontrado herramientas junto a los fósiles descubiertos.

Al parecer, hace 3 millones de años el A. afarensis evolucionó hacia un australopitecino posterior, el A. africanus, descubierto gracias a los yacimientos del sur de África. Esta especie poseía un cerebro similar al de sus antecesores; sin embargo, aunque sus dientes caninos eran todavía de gran tamaño, no eran prominentes y llegaban al mismo nivel que las demás piezas. Como en el caso del A. afarensis, no se encontraron utensilios de piedra junto a los fósiles.

Al parecer se produjo una escisión evolutiva hace unos 2,5 millones de años, ya que las pruebas fósiles revelan la presencia de al menos dos, y posiblemente hasta cuatro, especies diferentes de homininos; uno de sus segmentos evolucionó hacia el género Homo y finalmente hasta el hombre moderno, mientras que los otros se transformaron en especies australopitecinas que más tarde se extinguieron. Estas últimas incluyen al A. robustus, restringido al sur de África, y al A. boisei, que sólo se ha encontrado en África oriental. Los primeros representan una adaptación específica para comer alimentos duros como semillas y nueces, ya que su principal diferencia con el segundo grupo radica en el gran tamaño de sus dientes molares, mandíbulas y músculos maxilares. Los australopitecinos robustos se extinguieron hace 1 millón de años.

Los primeros utensilios de piedra encontrados proceden de yacimientos africanos fechados hace unos 2,5 millones de años; sin embargo, junto a ellos no se ha descubierto ninguna especie concreta de hominino. Los yacimientos fechados entre 2 y 1,5 millones de años atrás, situados en diferentes zonas del África oriental, no sólo incluyen multitud de utensilios y herramientas de piedra, sino también huesos de animales con marcas grabadas. Estos huesos demuestran que en aquella época los hombres comían carne, aunque se desconoce si dicho alimento se conseguía mediante la caza. Tampoco se sabe aún qué porcentaje de su dieta alimenticia procedía de alimentos vegetales y de insectos, y cuál de tejido animal. Asimismo, se desconoce si estos yacimientos corresponden a los miembros anteriores a la línea Homo o si los australopitecinos robustos eran capaces también de fabricar herramientas y de comer, al menos, algo de carne.

El fósil de un individuo de cerebro de gran capacidad y dientes pequeños, cuyo primer hallazgo corresponde a la zona norte de Kenia y que data de 1,8 a 1,9 millones de años, se ha clasificado dentro de la especie Homo erectus. La primera parte de la existencia de este Homo, como la de los homininos anteriores, se halla limitada al este de África. Más tarde, hace aproximadamente 1,5 millones de años, sus descendientes se desplazan hacia las zonas tropicales del Viejo Mundo y, al final de su evolución, en dirección a las zonas cálidas de Asia y, probablemente, Europa. Diversos yacimientos arqueológicos del Homo erectus, encontrados en los últimos años, revelan una mayor perfección en la fabricación de útiles que la observada en los yacimientos anteriores. En la cueva de Zhoukoudian, ubicada en el norte de Pekín, se encontraron fósiles de un Homo erectus que, en un principio, fue conocido como Sinanthropus pekinensis (hombre de Pekín); aquí se hallaron pruebas de que el Homo erectus había empleado el fuego. Estos datos sugieren que la conducta de los homininos se iba haciendo más compleja, desarrollando un número mayor de capacidades.

A lo largo de la vida del Homo erectus continuaron vigentes las principales orientaciones sobre su evolución. Los primeros presentaban un tamaño de cerebro parecido al de los anteriores homininos, entre 750 y 900 cm3; sin embargo, las últimas especies aumentaron su capacidad craneal hasta los 1.250 cm3. Investigaciones más recientes sugieren que descendientes de esta especie pudieron sobrevivir en algunas zonas de Asia antes de extinguirse. Fósiles de Homo erectus fueron descubiertos en dos cuevas de Java, Indonesia, y sus dientes datados hace 50.000 y 35.000 años.

Aunque pertenecientes al mismo género, estos primeros Homo sapiens no presentan un aspecto idéntico al del hombre moderno. Los testimonios fósiles más recientes sugieren que el hombre moderno, Homo sapiens sapiens, apareció por primera vez hace más de 90.000 años. Existe cierto desacuerdo entre los científicos acerca de si la secuencia de fósiles homininos revela un desarrollo evolutivo continuo desde la primera aparición del Homo sapiens hasta el hombre moderno. Esta discrepancia se centra sobre todo en el lugar que ocupan los fósiles de Neandertal, clasificados dentro de la línea de evolución como Homo sapiens neanderthalensis. Los hombres de Neandertal (que reciben su nombre del valle de Neander, en Alemania, donde se halló uno de los primeros cráneos) ocupaban algunas zonas de Europa y del Oriente Próximo desde hace unos 100.000 años hasta los 30.000 o 35.000, momento en que desaparecieron del registro arqueológico europeo. En otras zonas del Viejo Mundo también se han encontrado fósiles de los primeros Homo sapiens.