A lo largo del Neolítico hay cambios de técnicas e industrias (cerámica y pulimento de la piedra), de modos de vida y subsistencia (agricultura, ganadería y un incipiente urbanismo de pequeños poblados con chozas agrupadas); también se dan novedades en iconografía y ritos funerarios. Estos cambios, que en el Próximo y Medio Oriente se dieron masivamente y en poco tiempo (la "revolución del Neolítico"), en el sudoeste de Europa, y por tanto en el País Vasco, se introdujeron a un ritmo lento y de forma espaciada.
Los más importantes yacimientos del Neolítico vasco están en las cuevas de Areatza, Santimamiñe o Kobaederra en Vizcaya; la cueva de Marizulo en Guipúzcoa; en Álava, en las cuevas de Fuente 
Hoz o Montico de Txarratu; en el caso de Navarra, en Aizpea, Zatoia, Urbasa II, o por ejemplo, en Abauntz; en la costa labortana, en Muliña, donde se han encontrado picos mariscadores de gran tamaño.
Se suceden el Neolítico antiguo (4.500 a 4.000 a.C.) con mínimas novedades técnicas, el Neolítico pleno o avanzado (4.000 a 3.300 a.C.) en que se amplían aquellas innovaciones y se introduce la ganadería y el Neolítico final (del 3.300 al inicio del Calcolítico) en que aparece un ritual funerario megalítico y se expanden la ganadería, la agricultura y el poblamiento al aire libre.
Las cerámicas más antiguas del País Vasco (no decoradas) proceden de Zatoia (Navarra) y Fuente Hoz (Álava) y se fechan entre los 4.400 y los 4.000 años a.C; de ese tiempo son, también en el Neolítico antiguo, fragmentos de vasos cardiales (decorados por impresiones del borde dentado de la concha del cardium) de Peña Larga (Álava). Vasos decorados con apliques plásticos o con incisiones aparecen en el Neolítico avanzado de Los Husos (Álava), Areatza (Vizcaya) y Marizulo (Guipúzcoa).
En torno al año 4.000 a.C. los ocupantes de Zatoia cazaban jabalíes y en menor medida ciervos, cabras montesas, corzos y algunos caballos, bovinos y sarrios. Los de Aizpea compaginaban la caza de esas especies con la pesca en el vecino río Irati. Hasta el Neolítico pleno (Fuente Hoz, Abauntz y Marizulo) no aparecen en el País Vasco animales domésticos: los restos de ganadería son siempre minoría frente a los de animales salvajes. Sólo en el Neolítico final (Los Husos y Arenaza) el aprovisionamiento de carne procedente de animales domésticos superará al que se surte de la caza. Los primeros rebaños son de ovicaprino y luego los de vacuno y de cerda.
Sólo en el Neolítico avanzado aparecen instrumentos (que abundarían especialmente luego, en el Calcolítico) para el aprovechamiento de recursos vegetales: hojas de silex que servían para la siega y molinos de mano. En el Neolítico pleno y final se encuentran hachas y azuelas de piedra pulimentada para el trabajo de madera.
La costumbre del Neolítico de inhumar los cadáveres en el suelo de cuevas (como en Marizulo, Fuente Hoz y Aizpea) se va sustituyendo, desde fines del Neolítico, por depositos colectivos en galerías interiores de cuevas (como Kobaederra en Vizcaya, Gobaederra y Peña Larga en Álava, Urtao II en Guipúzcoa, y La Peña y Hombres Verdes en Navarra) y, sobre todo, en dólmenes. Los muertos están dispuestos ordenadamente en el interior de las cámaras funerarias, adornados con colgantes de hueso y piedra y acompañados de vasijas, 
armas y otros utensilios.
El catálogo dolménico en el País Vasco, dejando de lado lo tumular, incluye hoy unos setecientos monumentos, de los cuales casi la mitad se encuentran en Navarra. El uso de dólmenes se prolongó durante cerca de dos mil años: los primeros se levantaron en el Neolítico reciente (los más antiguos de la Rioja alavesa pueden datarse en 3.200 años a.C.), tuvieron su máxima expansión en el Calcolítico y Bronce Antiguo y algunos seguían utilizándose en el Bronce Pleno, hasta los 1.500 o 1.300 años a.C. El más grande de los dólmenes vascos es el de Aizkomendi. Son mayoría los dólmenes de cámara simple (con una sola estancia principal, de planta cuadrada o poligonal); otros son los de corredor, con una cámara precedida por un corredor o pasillo (como los monumentos de Artajona en Navarra, o de San Martín o el Sotillo en La Rioja), y las galerías cubiertas.
En el desarrollo de la metalurgia del sudoeste europeo se han definido tres etapas: el Calcolítico (Eneolítico, o Edad del Cobre) del 2.500 a 1.800 a.C.; la Edad del Bronce (antiguo, del 1.800 al 1.500; medio o pleno, del 1.500 al 1.200; y final, en transición a la Edad del Hierro, 1.200 al 900/850 a.C.) y la Edad del Hierro (a partir de 900 u 850 a.C.).
En el Calcolítico y Edad del Bronce abundan las herramientas, armas y utensilios domésticos de cobre y bronce: punzones o leznas, hachas de varios tipos (planas, de rebordes, de talón...), puñales con su base preparada para el enmangue, puntas de flecha, pulseras, anillos, cuentas de collar... En el Calcolítico, el martillado de pepitas de oro produjo alambres o chapitas que sirvieron como joyas: así las de los dólmenes de Trikuaizti en Guipúzcoa y Sakulo en Navarra.
Durante el Neolítico avanzado y el Calcolítico se van abandonando las cuevas como lugar de habitación y se construyen cabañas al aire libre. Entre otros sitios de habitación del Calcolítico y Edad del Bronce destacan las cuevas de Solacueva y Los Husos en Álava y el abrigo de Monte Aguilar en las Bárdenas de Navarra; y es amplia la lista de lugares al aire libre con fondos de cabañas y talleres de industrias líticas (tan interesantes como La Renque en Treviño o los talleres de Álava y de la Navarra media y Ribera).
En el Bronce pleno y final las cabañas se agrupan y dotan de elementos comunes (como pozos, silos o murallas). En algunos de los poblados incipientes de Navarra y Álava hay cerámicas y utensilios metálicos (puñales de remaches, 
puntas de flecha y algunos ornamentos de bronce) en los que los arqueólogos ven influencias de la Meseta, del sur de tierras vascas.
La cerámica campaniforme aparece en los depósitos funerarios del Calcolítico (2.500 a 1.800 a.C.): la de tipo marítimo y cordado se encuentran en zonas septentrionales del País Vasco (dólmenes de Pagobakoitza, Gorostiaran y Trikuaizti) y la de tipo continental en varios dólmenes más próximos al cauce del Ebro (San Martín, Sotillo, Los Llanos...) y en los sitios de La Renque (Treviño), Tudela y Las Bárdenas (Navarra).
En la excavación de depósitos funerarios en cuevas (Lumentxa en Vizcaya y Urtiaga y otras en Guipúzcoa, Gobaederra, Las Calaveras y Fuente Hoz en Álava y otras) o en dólmenes (Aralar [Navarra], Kuartango [Álava], Aizkorri [Guipúzcoa], Rioja...) se han recogido bastantes restos humanos de la época: la muestra, que cubre unos dos milenios entre el Neolítico avanzado y el final de la Edad del Bronce, ha permitido a los antropólogos determinar el predominio de los tipos de la raza pirenaico-occidental o vasca (13) en la montaña navarra y costa de Guipúzcoa y Vizcaya y de los mediterráneo-gráciles en las zonas del sur, existiendo, además, otros grupos minoritarios (paleomorfos, alpinoides...), restos de viejas etnias o procedentes de países lejanos (como los dinárico-armenoides del Bronce final de la cueva navarra de Los Hombres Verdes).
(13) Raza pirenaico-occidental o vasca: tipo racial surgido de la evolución local del hombre de Cromagnon. La antropología engloba el tipo vasco dentro de la raza caucásica. Sus características físicas son las siguientes:
Ortognatismo: perfil recto de la cara prescindiendo de la nariz. Dolicocéfalos con bóveda craneana baja (en Iparralde la dolicocefalia puede atenuarse, e incluso puede convertirse en braquicefalia por influencia del tipo alpino). Rino-prosapia: gran desarrollo vertical 
de la cara en relación a la longitud de la boca. Estrechez maxilar y mesocefalia: cara triangular con sienes abultadas. Orificio occipital oblicuo: el borde anterior se encuentra muy metido o hundido. Mandíbula inferior: más bien estrecha y la barbilla recogida. La cara es muy alta, así como la nariz, siendo esta última muy saliente y con perfil a menudo convexo. El cabello: predominan los morenos sobre los castaños, siendo los rubios o pelirrojos muy minoritarios y fruto del mestizaje. Los ojos: más bien pequeños, pero muy abiertos, predominando los castaños, garzos y azules, sobre negros, verdes y grises. Comunmente los de tipo vasco se distinguen de sus vecinos latinos por su mayor estatura y corpulencia, a lo que ha de añadirse cierta tendencia a una coloración más clara de la tez.
Otras diferencias notables han revelado los estudios cromosómicos y serológicos, en especial la extraordinaria frecuencia de individuos Rh negativos. El Rh negativo es común en todas las comunidades humanas de origen prehistórico que han vivido aisladas durante milenios. Los individuos de Rh positivo, aunque actualmente mayoritarios, surgieron de una mutación relativamente reciente en la humanidad.
Los antropólogos indican que el tipo pirenaico-occidental estuvo en tiempos pretéritos mucho más extendido que actualmente. Fuera del País Vasco, aunque en mezcla y de modo atenuado, la influencia somática de este tipo se deja sentir todavía hacia el sur en varias comarcas de Castilla; hacia el este, en varios valles del Pirineo hasta Andorra; y hacia el norte, por el litoral atlántico, habiéndose señalado con bastante probabilidad su presencia incluso en el País de Gales (Reino Unido), como vestigio de la expansión protovasca en Europa durante el magdaleniense.
La masa peninsular española y portuguesa, actualmente, es mayoritariamente de tipo mediterráneo. Desde el neolítico se atisba presencia de individuos de tipos mediterráneo y alpino en el sur del País Vasco. Debido a la emigración a tierras vascas de población latina peninsular, sobre todo a partir del siglo XX, el tipo mediterráneo también es mayoritario en las grandes urbes vascas. En el caso de Iparralde, sobre todo en la zona costera, además de individuos de tipo mediterráneo, existen de tipo alpino (procedentes del centro y este de Francia) y nórdico (procedentes del norte de Francia) debido a la inmigración latina (actual y pasada) proveniente del centro, este y norte de Francia. El tipo vasco, por contra, es común en las zonas rurales del norte de Euskadi, interior de Iparralde y mitad norte de Navarra, debido a su mayor aislamiento con respecto a las corrientes inmigratorias.
Sin embargo, los vascos del futuro no sólo serán caucásicos. Desde principios del siglo XXI ha comenzado un intenso proceso de inmigración procedente de Iberoamérica (amerindios en sus diferentes tipos), del África central (tipos negros guineano y sudanés), del norte de África (tipos caucásicos bereber y sudoriental), del este de Europa (tipos caucásicos báltico-oriental, nórdico, alpino y dinárico) y sínidos del Asia oriental, asentándose estos inmigrantes, no sólo en los grandes núcleos urbanos sino también en zonas rurales, lo que hará que la sociedad vasca futura sea una sociedad mestiza, multiracial y multicultural.
En la transición a la Edad Antigua (o Protohistoria) hay una Primera (de los 900/850 a los 500/450 a.C.) y una Segunda Edad del Hierro (desde entonces hasta el desarrollo de la romanización). Hacia los 1.000 a 900 a.C. se generalizaron en el sudoeste de Europa innovaciones culturales de origen foráneo: técnicas y decoraciones de la cerámica y de los objetos metálicos, construcciones, ritos funerarios, onomástica y toponimia, creencias religiosas y simbología artística. En ellas se reconocen varias vías de influencia sobre las gentes que entonces poblaban el País Vasco: la "cultura de Las Cogotas" de la Meseta, los pueblos célticos del otro lado del Pirineo y otros grupos de Aragón y Cataluña. Son campesinos que viven de la agricultura y de la ganadería de vacuno, ovino y cerda.
En la amplia lista de poblados de la Edad del Hierro que hoy conocemos destacan Arrola y Gastiburu en Vizcaya, Intxur y Buruntza en Guipúzcoa, el alto de la Cruz de Olaritzu o Berbeia en Álava y la Custodia o el Castillar de Mendabia en Navarra. Mientras que en zonas de la montaña de Iparralde hay recintos fortificados ("castillos" o "campos de César" en la tradición popular) como los de Gazteluzarra de Irisarri o Arhansus.
Las casas se organizan en manzanas y calles; algunos poblados tienen muros, dispuestos a veces en alineaciones concéntricas separadas por fosos. Hay casas de planta rectangular y cubierta a una o dos vertientes (de 80 m² de superficie como media las de La Hoya [Álava] y hasta 110 m² las del Alto de la Cruz [Navarra] ) y otras de planta circular y cubierta en forma de cono (entre los 20 y 30 m² de superficie en los poblados alaveses de Peñas de Oro y Castillo de Henaio). Su construcción es muy cuidada, con un podio de cimentación sobre el que se levantan paredes de piedra o adobe trabadas con pies de madera y, muchas veces, manteadas de barro, estando dotadas de bancos, hogares, silos y hornos; las del Alto de la Cruz de Cortes (Navarra) disponen incluso de despensas y altillos para guardar enseres y de jaulas o cerradas para animales domésticos. Recipientes mayores para conservar el agua y el grano, cerámica varia de cocina, pesas de telar, molinos de mano y morillos forman parte de su mobiliario.
Pulseras, fíbulas, broches de cinturón y botones de cobre o bronce, cajitas cerámicas y vasijas de lujo (decoradas por excisión, acanaladas o pintadas), algunos idolillos y muñecos de barro y varias joyas componen el efectivo de uso personal de aquellas gentes. Los dos cuencos repujados de oro de Axtroki en Bolibar (Guipúzcoa), de los siglos VIII/VII a.C., son una buena muestra de las artes decorativas de la época. En la Edad del Hierro se practica de forma generalizada la incineración de cadáveres, conservándose las cenizas en urnas cerámicas que se depositaban en un pequeño recinto de losas (cista) o bajo túmulos de tierra. Las tumbas de incineración se agrupaban en "campos de urnas" no lejos de los grandes poblados, como las necrópolis navarras de La Torraza de Valtierra y La Atalaya de Cortes y la del poblado alavés de La Hoya.
En la zona pirenaica (límite de Guipúzcoa con Navarra y de Navarra con los territorios de Iparralde), las cenizas del difunto se colocaban bajo un túmulo de tierra y piedras o en una depresión del suelo enmarcada por un círculo de piedras o cromlech (baratzak [barátsak]). Dataciones del Carbono 14 de algunas tumbas de Iparralde muestran su vigencia a lo largo del primer milenio antes de Cristo; en algún caso seguían en uso muy entrada la Edad Media, como restos de los rituales de la antigua religión vasca.
En la llanada alavesa (Landatxo, La Teja, El Fuerte, El Batán, Mendizorrotza y Salbatierrabide) hay "hoyos de incineración" cavados en el suelo: contienen restos de animales, cerámicas y objetos metálicos de tipos que se datan entre el Bronce final y la Segunda Edad del Hierro.
Del Bronce avanzado son figuras de animales pintados en rojo en la Peña del Cantero en Etxauri (Navarra) o grabadas en la Peña del Cuarto en Leartza (Navarra). En el interior de varias cuevas de Álava (Solacueva, Los Moros en Atauri, Latzaldai y Liziti) hay figuras muy esquemáticas de cazadores y animales pintadas en negro: se atribuyen a la Edad del Hierro.
En la Segunda Edad del Hierro aparecen vasijas elaboradas a tomo y -hacia los años 350 a 300 a.C.- las pintadas de estilo celtibérico como las de La Custodia, Castejón, Leguín y Sansol en Navarra, y La Hoya, en Álava. Se han hallado aperos de hierro para la labranza y arreos de caballo en los niveles finales de La Hoya (Álava), en Etxauri (Navarra) y en el poblado tardío de San Miguel de Atxa (Álava). Esos y otros poblados irán acogiendo la romanización.
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