La distribution spatiale des Néandertaliens a été fortement influencée par les fluctuations climatiques de la fin du Pléistocène moyen et du début du Pléistocène supérieur. Des sites du Paléolithique moyen et des fossiles néandertaliens ont été découverts dans une grande partie de l’Eurasie occidentale, en-dessous de 55° de latitude nord. Ce domaine géographique très étendu a cependant été inégalement peuplé et de façon discontinue au cours du temps. De vastes régions sont restées inoccupées pendant les phases les plus froides. À une échelle géographique plus réduite, on observe aussi des variations de la densité des sites qui traduisent à la fois des conditions plus ou moins favorables à leur conservation mais aussi la disponibilité des ressources à l’époque où ils ont été habités.
Les populations néandertaliennes se sont adaptées à des environnements variés. Elles ont exploité aussi bien les paysages forestiers des périodes interglaciaires que ceux beaucoup plus découverts des périodes glaciaires. Toutefois elles n’ont guère prospéré dans des environnements de type péri-arctiques. Dans les Alpes et le Jura, des sites moustériens découverts jusque vers 2 000 m d’altitude ont été occupés pendant les périodes les plus clémentes, et probablement de façon saisonnière. Dans certaines régions périphériques (îles Britanniques, Asie centrale), la présence néandertalienne a été intermittente, en fonction des conditions climatiques et de leurs effets sur la géographie. Au Levant, populations néandertaliennes et hommes modernes d’origine africaine ont alterné pendant le Paléolithique moyen. Les déplacements des groupes peuvent être reconstitués grâce à l’analyse des matières premières utilisées pour la fabrication des outillages lithiques, et ceux des individus grâce à l’analyse des isotopes du strontium dans l’émail dentaire.
