Pochodzenie i występowanie Neandertalczyk prawdopodobnie ewoluował z Homo heidelbergensis lub formy z nim blisko spokrewnionej w środkowym plejstocenie. Pierwsze cechy neandertalskie pojawiły się u hominidów w Europie ok. 400–350 tys. lat temu. Neandertalczycy rozprzestrzenili się po Europie (z wyjątkiem Skandynawii) i na Bliskim Wschodzie. W okresie dużych wahań klimatycznych wykazywali przystosowania do zimnego klimatu. Prawdopodobnie w tym czasie zaczęli używać odzieży (dla ochrony od zimna) oraz biżuterii. Nieliczne ślady wskazują na obecność podobnych form w południowej Syberii i północnej Afryce.
W 1938 w jaskini Teszik Tasz, w pobliżu Samarkandy, odkopano fragmenty szkieletu młodego neandertalczyka, w tym 150 fragmentów kości składających się na kompletną czaszkę. Powiększyło to znany obszar zamieszkiwania tego gatunku i dowiodło, że zamieszkiwał również wysokie góry.
Odkrycia z 2001 i 2007 roku, tj. wykopaliska w Mamontowej Kurii w górach Uralu u wybrzeży Morza Arktycznego, oraz w jaskini Okładnikowa w górach Ałtaj, wspomagane zaawansowanymi badaniami genetycznymi, sugerują, że zakres występowania neandertalczyka był znacznie większy.