尼安德特人和现代智人大脑的头骨在外形上存在明显的差异：尼安德特人的头骨更扁更长，而现代人类更圆。根据发表在 PNAS 期刊上的一项研究《Neanderthal brain and cognition reconsidered》，外形上的差异并不能说明什么。对比 400 名（200 欧裔 200 汉族）现代人类大脑的 MRI 扫描和尼安德特人头骨内模，现代人类大脑之间的差异比更新世智人和和尼安德特人之间的差异更大。鉴于大脑大小并不能准确预测认知能力，尼安德特人的认知能力可能更接近现代人类，这意味着人类可能不是凭借更聪明或更强的适应能力而战胜尼安德特人。研究人员认为，尼安德特人大脑和认知能力差异，完全可纳入现代人类内部的差异。