La última fecha de aparición de los neandertales se cita comúnmente como ca. hace 30 mil años (ka). Esta fecha sigue a la aparición de los humanos modernos en Europa por varios milenios, pero nuestra comprensión del momento exacto y la duración de este intervalo está oscurecida por las limitaciones de nuestros métodos de datación. Por ejemplo, los picos en la producción de radiocarbono atmosférico durante este tiempo dan lugar a un gran grado de incertidumbre en las fechas de radiocarbono relevantes (Conard & Bolus 2008). Las dos especies pueden haber coexistido en Europa por hasta diez milenios, y posiblemente se cruzaron durante este tiempo, aunque la duración de esta coexistencia es debatida, al igual que el contacto entre las dos (por ejemplo, Finlayson 2000, Pinhasi et al. 2011). La cuestión de lo que pudo haber sucedido durante estos encuentros y cuál pudo haber sido el papel de los humanos modernos tempranos en la extinción de los Neandertales, ha sido objeto de intensa discusión y un punto focal en la investigación de los Neandertales.
La desaparición de los neandertales es vista por algunos como una verdadera extinción. Otros, sin embargo, sostienen que los neandertales no se extinguieron, sino que fueron asimilados al acervo genético humano moderno. El registro fósil es ambiguo en este punto: algunos especímenes humanos modernos del Paleolítico Superior europeo se han propuesto como posibles híbridos humanos Neandertales-modernos, pero esta interpretación ha sido cuestionada(por ejemplo, ver Smith 2005, Harvati et al. 2007). El análisis del ADN mitocondrial HUMANO moderno Neandertal y del Paleolítico Superior no muestra indicios de mestizaje(por ejemplo, Ghirotto et al. 2011). Sin embargo, investigaciones recientes sobre ADN nuclear de Neandertal han encontrado evidencia de una mezcla limitada: una pequeña porción (hasta ~4%) de los genomas de los no africanos examinados hasta ahora puede derivar de neandertales, lo que sugiere que el mestizaje probablemente ocurrió en el Cercano Oriente durante la primera dispersión de los humanos modernos fuera de África, pero antes de su llegada a Europa (Green et al. 2010). Sin embargo, el modelado demográfico de la mezcla combinado con la expansión territorial indica que este nivel de introgresión se produciría en condiciones muy bajas (et al. 2010), es prematuro concluir que el nivel de mezcla observado actualmente constituye asimilación. Independientemente de esta pequeña contribución al acervo genético humano moderno, las poblaciones de neandertales en toda Europa desaparecieron abruptamente en el registro fósil, y se han propuesto varios escenarios para explicar esta observación. La mayoría invoca un grado de competencia, ya sea directa o indirecta, con los humanos modernos, o alternativamente, el deterioro de las condiciones ambientales, como factores principales.
Las hipótesis que abogan por la competencia han propuesto varias posibles ventajas competitivas humanas modernas. Estos incluyen avances tecnológicos, como 1) mejor ropa y refugio, 2) mejores técnicas de caza y estrategias de subsistencia más diversas, que incluyeron el consumo de aves y peces, 3) diferencias sociales, como tamaños de grupo más grandes y redes sociales más elaboradas entre los humanos modernos, y 4) factores demográficos, posiblemente incluyendo diferencias en las tasas de nacimiento y mortalidad o en los intervalos entre nacimientos de las dos especies (ver referencias en Harvati 2007). De hecho, se han encontrado diferencias importantes entre los neandertales y los humanos modernos en su historia de vida y demografía, incluido un crecimiento más rápido y posiblemente una esperanza de vida más corta en los neandertales (ver Harvati 2007, Smith et al. 2010), así como una densidad de población mucho mayor entre los humanos modernos del Paleolítico Superior en comparación con los neandertales (Mellars & Francés 2011).
La relevancia del clima en este debate se descartó hasta hace poco, ya que los neandertales desaparecieron en la Etapa 3 de Isótopos de Oxígeno (OIS 3) cuando se pensaba que las condiciones eran relativamente estables (Stringer et al. 2003). Algunas hipótesis recientes, sin embargo, consideran que la inestabilidad climática durante los milenios hasta el último máximo glacial ha sido una fuerza impulsora en la extinción de los Neandertales. Un modelo postula que la degradación y fragmentación del hábitat se produjo en el territorio neandertal mucho antes de la llegada de los humanos modernos, y que llevó a la diezmación y eventual desaparición de las poblaciones de Neandertales. En este punto de vista, los humanos modernos habrían llegado a áreas previamente ocupadas por neandertales después de que estos últimos ya se hubieran extinguido, y las dos especies nunca se habrían conocido en Europa (Finlayson 2000). Un modelo similar considera la desaparición del Neandertal como solo una de las muchas extinciones de megafauna del Pleistoceno tardío causadas por la pérdida de un entorno sin un análogo moderno (Stewart 2005). El apoyo a un efecto climático significativo proviene de registros paleoclimáticos detallados recientes, según los cuales OIS 3 estaba dominado por condiciones climáticas mucho más inestables de lo que se pensaba anteriormente (van Andel & Davies, 2003) y puede haber sido precipitado por una actividad volcánica inusualmente intensa (Golovanova et al. 2010). El modelado del estrés climático (definido como los efectos indirectos del cambio ambiental) basado en estos nuevos datos encontró dos picos de estrés a ~65 y ~30 ka, el segundo parece ser más prolongado y severo que el primero, y posiblemente relacionado con la extinción de Neandertales (Stringer et al. 2003). Esto puede haber sido precipitado por la erupción coetánea. Sin embargo, como los neandertales habían sobrevivido a fases frías anteriores, es difícil aceptar el cambio climático como la única razón de su desaparición. Además, no se ha encontrado ninguna asociación entre las fechas propuestas para la última aparición de Neandertales y los principales eventos climáticos, lo que sugiere que los neandertales no se extinguieron después de un evento climático catastrófico (Tzedakis et al. 2007). Por lo tanto, si el clima desempeñara un papel importante, sería más complejo, tal vez implicaría el deterioro ambiental en combinación con el advenimiento de los seres humanos modernos y, por lo tanto, con una mayor competencia por los recursos limitados. En este punto de vista, es la interacción entre los efectos de la fluctuación del clima y el medio ambiente y de la competencia con los humanos modernos lo que habría llevado a la eventual extinción de los neandertales.