Οι Νεάντερταλ πρέπει να ζούσαν παράλληλα με τους Χόμο Σάπιενς για κάποιο διάστημα αλλά ανταγωνιστικά. Οι πρώτοι δεν είχαν εξαπλωθεί σε πολλά μέρη, καταδεικνύοντας τη μη προσαρμοστικότητά τους και τη μικρής διάρκειας ύπαρξή τους. Δείγματά τους βρέθηκαν στη νότια και κεντρική Ευρώπη, στην κεντρική Ασία στην περιοχή του σημερινού Ουζμπεκιστάν, καθώς και στη νοτιοδυτική Ασία. Απολιθώματά τους δεν βρέθηκαν στην Αφρική, την Αμερική και την ανατολική Ασία.
Η απότομη εξαφάνιση των Νεάντερταλ έχει γίνει αντικείμενο πολλών μελετών. Αν και δεν έχουν εξακριβωθεί τα αίτια, έχουν διατυπωθεί διάφορες θεωρίες που μπορεί να οδήγησαν αυτό το είδος σε αφανισμό. Μία από αυτές υποστηρίζει ότι οι Νεάντερταλ έπεσαν θύματα της γενοκτονίας που εξαπέλυσαν οι Χόμο Σάπιενς, εξαιτίας των μαζικών τάφων που ανακαλύφθηκαν και που φέρουν ενδείξεις βίαιων θανάτων. Ο Κάρολος Δαρβίνος πίστευε ότι ο αγώνας ανάμεσα στα συγγενικά είδη ήταν πολύ σκληρός. Οι Χόμο Σάπιενς όμως δεν ήταν τόσο μυώδεις όσο οι Νεάντερταλ οπότε ήταν δύσκολο να τους εξοντώσουν, είχαν όμως υψηλότερη ευφυΐα και κατάφεραν να επικρατήσουν.
Άλλη θεωρία που έχει διατυπωθεί είναι ότι οι Νεάντερταλ εξαφανίστηκαν λόγω της μεγάλης ρινικής κοιλότητας που είχαν οι οποία τους έκανε ευάλωτους σε ασθένειες που σχετίζονταν με το κρύο στη μεσοπαγετώδη περίοδο όπου ζούσαν, ενώ μία άλλη υποστηρίζει ότι έπεσαν θύματα μεγάλης επιδημίας που μείωσε τον πληθυσμό τους σε χαμηλά επίπεδα και τελικά εξαφανίστηκαν. Η τελευταία όμως θεωρία αδυνατεί στο να εξηγήσει πως οι Χόμο Σάπιενς δεν επηρεάστηκαν από μια τυχόν επιδημία. Τέλος υπάρχει η υπόθεση ότι οι Χόμο Σάπιενς υπερτερούσαν αριθμητικά και κατάφεραν να αφομοιώσουν με επιμειξίες τους Νεάντερταλ, πράγμα που σημαίνει ότι γονίδια των Νεάντερταλ υπάρχουν στον σύγχρονο άνθρωπο. Βέβαια υπάρχουν και εκείνοι που θεωρούν ότι ίσως όλοι οι παραπάνω λόγοι να ευθύνονται αθροιστικά για την εξαφάνιση των Νεάντερταλ.
