4000万年前まで日本海が存在せず、日本列島は大陸の一部であった。約7万年前に、北方からはマンモス、ヘラジカ、トナカイ、ヒグマ、ナキウサギ、キタキツネなど、南方からはナウマンゾウ、オオツノシカ、カモシカ、ニホンジカ、ツキノワグマ、ニホンザルなどが移り住んでいた。動物たちと同じく、それらを追って大陸の旧石器時代人も大陸から移り住んできたと推定される。その後、日本列島が大陸より切り離されることにより、それら動物や人類も独自の進化を遂げることになる。
斧形石器による推定

1973年（昭和48年）、東京都府中市武蔵台の武蔵台遺跡と千葉県の三里塚55地点遺跡で刃部を研磨した磨製の斧形石器が発掘された。出土層準は約40,000 - 30,000年前の立川ローム第X層中であり、分布は列島全域に亘る。これら刃部磨製石斧は現時点で世界最古の磨製例であるが、3 - 4万年前に集中し、その後は草創期まで出現しない。しかしこれら磨製石器の出土によって、日本列島の旧石器時代の人類の生息が示される[12]。
化石人骨による推定

火山灰に覆われた日本は、酸性土壌のため、化石が残りにくく、化石人骨の発見も少ない。

かつては愛知県豊橋市で発見された「牛川人」が最も古い（約20万年前の旧人）とされていたが、2001年（平成13年）の再鑑定によって、人骨である可能性がほぼ否定されている（ナウマンゾウなどの獣骨と見られている）。

今世紀初頭にこれまで化石人骨とされてきた標本の再鑑定が実施された後では、本州で発見された最古の人骨は、静岡県浜松市で発掘された浜北人（約1万4,000年前）である。

比較的良好な保存状態で発見された沖縄県八重瀬町港川採石場で発見された港川人は、1万8,000年前の新人である。後期更新世か後期旧石器時代に当たる。眼窩上や眉間の隆起が発達したやや原始的で頑丈な頭と顔、小柄な体格、華奢な上半身比較的頑丈な下半身の特徴を持ち、縄文人に繋がる特徴を備えているという。
遺伝子による推定

日本人に約35%の頻度で見られるY染色体ハプログループD1a2系統は日本列島に初めて到達した現生人類のタイプと考えられており、おおよそ3.7-3.8万(最大限5万、最小限2万[13]）年前に日本列島で誕生したとされる[14]。
動物・植物

日本列島とその近海は、多数の固有種が存在する世界有数の生物多様性を持つ地域として知られている。特に日本近海は、海洋生物における世界最大の生物多様性を持つ海であり、全海洋生物種数の14.6%が分布している[15][16]。しかし日本の高い人口密度と発達した産業のために絶滅危惧種となった生物も多く、世界規模で非常に高い生物多様性を持ちながら人類による破壊の危機に瀕している34か所ある地域（ホットスポット）の一つに挙げられている[17]。
年表

日本列島の年表地質時代年代日本の化石備考
先カンブリア時代46億年前未発見日本最古の岩石（岐阜県七宗町上麻生礫岩、約20億年前）
古生代カンブリア紀5億7500万年前化石 
オルドビス紀5億900万年前化石 
シルル紀4億4600万年前クサリサンゴ
三葉虫 
デボン紀4億1600万年前化石 
石炭紀3億6700万年前サンゴ 
ペルム紀2億8900万年前化石 
中生代三畳紀2億4700万年前化石 
ジュラ紀2億1200万年前魚竜 
白亜紀1億4300万年前首長竜（フタバスズキリュウ）
アンモナイト手取層群（獣脚類・竜脚類・鳥脚類の恐竜、鳥類の足跡）、日本海まだ存在せず
新生代第三紀暁新世6500万年前化石K-Pg境界（大量絶滅、北海道本別）[18]
始新世5500万年前化石 
漸新世3370万年前化石炭田の形成
中新世2300万年前化石四国海盆の形成、日本海拡大開始、千島海盆拡大[19]
2000 - 1000万年前 東北日本日本海側の火山活動（グリーンタフ変動）、日本海が開き、日本列島の原型できる[20]