neandertalilaisten viimeinen esiintymispäivä mainitaan yleisesti n. 30 tuhatta vuotta sitten (ka). Tämä päivämäärä seuraa syntymistä nykyihmisen Euroopassa useita vuosituhansia, mutta käsityksemme tarkka ajoitus ja kesto tämän väli on hämärtynyt rajoitusten meidän dating menetelmiä. Esimerkiksi ilmakehän radiohiilen tuotannon huiput aiheuttavat tänä aikana suurta epävarmuutta asiaankuuluvissa radiohiiliajoituksissa (Conard & Bolus 2008). Nämä kaksi lajia ovat voineet elää rinnakkain Euroopassa jopa kymmenen vuosituhatta, ja mahdollisesti törmäsivät toisiinsa tänä aikana, vaikka tämän rinnakkaiselon kestosta kiistellään, samoin kuin näiden kahden välisestä yhteydestä (esim. Finlayson 2000, Pinhasi et al. 2011). Kysymys siitä, mitä näiden kohtaamisten aikana on voinut tapahtua ja mikä varhaisten nykyihmisten rooli olisi voinut olla neandertalinihmisten sukupuutossa, on ollut kiivaan keskustelun aiheena ja neandertalinihmisten tutkimuksen keskiössä.
jotkut pitävät neandertalinihmisen katoamista todellisena sukupuuttona. Toiset taas väittävät, että neandertalinihmiset eivät kuolleet sukupuuttoon, vaan sulautuivat nykyihmisen geenipooliin. Fossiilisto on tältä osin epäselvä: muutamia eurooppalaisia Ylipaleoliittisia nykyihmisyksilöitä on ehdotettu mahdollisiksi neandertalinihmisen ja nykyihmisen risteymiksi, mutta tämä tulkinta on kyseenalaistettu (esim.Smith 2005, Harvati et al. 2007). Neandertalinihmisen ja ylemmän paleoliittisen nykyihmisen mitokondrio-DNA: n analyysi ei osoita viitteitä risteytymisestä (esim.Ghirotto et al. 2011). Neandertalin ydin-DNA: n tuore tutkimus on kuitenkin löytänyt todisteita vähäisestä sekoittumisesta: pieni osa (jopa ~4%) ei-afrikkalaisten toistaiseksi tutkituista genomeista voi olla peräisin Neandertalilaisilta, mikä viittaa siihen, että risteytyminen tapahtui todennäköisesti Lähi-idässä varhaisimman nykyihmisen hajaantumisen aikana Afrikasta, mutta ennen heidän saapumistaan Eurooppaan (Green et al. 2010). Demografinen mallinnus admixture yhdistettynä alueelliseen laajentumiseen, kuitenkin, osoittaa, että tämä aste introgressio olisi tuotettu hyvin alhainen (et al. 2010), on ennenaikaista päätellä, että tällä hetkellä havaittu admixture-taso olisi Assimilaatio. Huolimatta tästä pienestä osuudesta nykyihmisen geenipoolissa, Neandertalinihmispopulaatiot kaikkialla Euroopassa hävisivät äkillisesti fossiiliaineistossa, ja tämän havainnon selittämiseksi on esitetty useita skenaarioita. Useimmat vetoavat joko suoraan tai epäsuoraan kilpailuun nykyihmisten kanssa tai vaihtoehtoisesti ympäristöolosuhteiden heikkenemiseen tärkeimpinä tekijöinä.
kilpailua puoltavat hypoteesit ovat esittäneet useita mahdollisia nykyihmisen kilpailuetuja. Näitä ovat teknologiset edistysaskeleet, kuten 1) parempi vaatetus ja suoja, 2) paremmat metsästystekniikat ja monipuolisemmat toimeentulostrategiat, joihin sisältyi lintujen ja kalojen kulutus, 3) sosiaaliset erot, kuten suuremmat ryhmäkoot ja kehittyneemmät sosiaaliset verkostot nykyihmisten keskuudessa, ja 4) demografiset tekijät, mukaan lukien mahdollisesti erot syntyvyys-ja kuolleisuusluvuissa tai näiden kahden lajin syntymäväleissä (KS.Harvati 2007-julkaisun viitteet). Neandertalinihmisten ja nykyihmisten välillä onkin havaittu merkittäviä eroja heidän elämänhistoriassaan ja väestökehityksessään, mukaan lukien nopeampi kasvu ja mahdollisesti lyhyempi elinajanodote Neandertalinihmisillä (katso Harvati 2007, Smith et al. 2010), sekä huomattavasti korkeampi Väestötiheys ylemmillä paleoliittisilla nykyihmisillä verrattuna Neandertalilaisiin (Mellars & Ranska 2011).
ilmaston merkitys tässä keskustelussa jäi viime aikoihin asti vähälle huomiolle, sillä Neandertalilaiset hävisivät happi-Isotooppivaiheessa 3 (OIS 3), Kun oloja pidettiin suhteellisen vakaina (Stringer et al. 2003). Joissakin viimeaikaisissa hypoteeseissa katsotaan kuitenkin, että ilmaston epävakaus vuosituhansien kuluessa viimeisen jääkauden maksimista lähtien on ollut neandertalinihmisen sukupuuton liikkeellepanevana voimana. Erään mallin mukaan elinympäristön rappeutuminen ja pirstoutuminen tapahtuivat Neandertalin alueella kauan ennen nykyihmisen saapumista, ja se johti neandertalinihmisten populaatioiden harvenemiseen ja lopulta häviämiseen. Tämän näkemyksen mukaan nykyihminen olisi saapunut neandertalilaisten aiemmin asuttamille alueille näiden jo kuoltua sukupuuttoon, eivätkä nämä kaksi lajia olisi koskaan kohdanneet Euroopassa (Finlayson 2000). Samanlainen malli pitää neandertalinihmisen kuolemaa vain yhtenä monista myöhäisen pleistoseenin megafaunan sukupuutoista, jotka johtuvat ympäristön häviämisestä ilman nykyaikaista analogiaa (Stewart 2005). Merkittävää ilmastovaikutusta tukevat viimeaikaiset yksityiskohtaiset paleoklimaattiset tiedot, joiden mukaan OIS 3: a hallitsivat aiemmin luultua paljon epävakaammat ilmasto-olot (van Andel & Davies, 2003), ja se saattoi olla epätavallisen voimakkaan vulkaanisen toiminnan saostama (Golovanova et al. 2010). Mallinnus ilmasto stressi (määritellään epäsuorat vaikutukset ympäristön muutos) perustuu näihin uusiin tietoihin löytyi kaksi stressiä huiput ~65 ja ~30 ka, toinen näyttää olevan pidempi ja vakava kuin ensimmäinen, ja mahdollisesti liittyvät Neandertalin sukupuuttoon (Stringer et al. 2003). Tätä saattoi jouduttaa coevalin purkaus. Koska Neandertalilaiset olivat kuitenkin selvinneet aiemmista kylmistä vaiheista, on vaikea hyväksyä ilmastonmuutosta ainoana syynä heidän menehtymiseensä. Lisäksi ei ole löydetty yhteyttä ehdotettujen päivämäärien viime Neandertalin esiintyminen ja suuria ilmastollisia tapahtumia, mikä viittaa siihen, että neandertalinihmiset eivät kuolleet sukupuuttoon jälkeen katastrofaalinen ilmasto tapahtuma (Tzedakis et al. 2007). Jos ilmastolla olisi siis merkittävä rooli, se olisi monimutkaisempi, ja siihen liittyisi ehkä ympäristön huonontuminen yhdessä nykyihmisten tulon kanssa ja siten lisääntynyt kilpailu rajallisista luonnonvaroista. Tämän näkemyksen mukaan juuri vaihtelevien ilmaston ja ympäristön vaikutusten sekä nykyihmisen kanssa käytävän kilpailun vuorovaikutus olisi johtanut lopulta neandertalinihmisen sukupuuttoon.