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Hace aproximadamente medio millón de años se empezaron a gestar los rasgos morfológicos que en unos cientos de miles de años dieron origen al neandertal. Los pre-neandertales u Homo heidelbergensis mostraban una creciente corpulencia física, expresada en el aumento de la talla, 1,75 a 1,80 metros y cerca de 100 kg de peso (media masculina). Las mandíbulas también poseían una gran fuerza y robustez a causa del estrés al cual eran sometidas.
El conjunto de estos fósiles revelan un homínido con un cráneo más "inflado" que el de ningún H. erectus/H. ergaster, aunque todavía posee arcos supraciliares. La parte trasera del cráneo es más redondeada que en H. erectus/H. ergaster, y las mejillas son infladas, como en los neandertales, aunque la cara es más plana. Su capacidad neurocraneal no dista mucho de la del hombre moderno, rondaba los 1.350 cm³. Otro parecido con el Homo sapiens actual era su aparato fonador. Esto dio a pensar que el lenguaje, entendido de una manera quizás diferente a la actual, ya estaba presente en estos grupos.
Los utensilios asociados con los fósiles consisten básicamente en "piedras de cortar" y algunas herramientas de lascas como puntas y raspadores de madera, hueso y asta, siendo los iniciadores de esta técnica. Dentro de su tecnología encontramos el bifaz, también llamado hacha de mano; es de grandes dimensiones y está tallado por ambas caras. Su utilidad es muy diversa. Según análisis de otras piedras muestran su empleo para curtir pieles o trabajar la madera, hace 400.000 años ya usaban rudimentarias lanzas de madera. También es muy probable que en esta época el fuego fuese utilizado y paulatinamente generalizado, ya que hay evidencias de fogatas.