Los restos materiales de la Prehistoria guipuzcoana han sido recogidos entre 1916 y 1936 en excavaciones de J. M. de Barandiarán (con T. de Aranzadi y E. de Eguren) de varias estaciones dolménicas y de cuevas paleolíticas de habitación (Ermittia, Urtiaga), y a partir de 1953 por él mismo al principio y desde 1975 por equipos de la Sociedad Aranzadi tanto en dólmenes y túmulos funerarios como en cuevas (Lezetxiki, Aitzbitarte, Marizulo, Altxerri, Ekain, Amalda, Errailla). El conocimiento de la Romanización se ha incrementado a partir de 1970 con prospecciones y excavaciones en el bajo Bidasoa (Asturiaga, Juncal, Ama Xantalen...). La casi totalidad de evidencias prehistóricas se custodian por la Sociedad Aranzadi, exhibiéndose en el Museo Municipal de San Sebastián; mientras que lo más significativo de la arqueología romana provincial se reúne en el museo monográfico de Ama Xantalen (Irún).
Las más antiguas evidencias de presencia humana en Gipuzkoa datan de más de 50.000 años, en el Paleolítico Medio. El desarrollo de las culturas del Paleolítico Medio y Superior se producen en circunstancias de mayor frío y sequedad que las actuales. En esta última glaciación los grupos humanos ocupan abrigos y cuevas no lejanos a la costa, en moderadas altitudes. La estratigrafía de más de 10 m. de potencia de la cueva de Lezetxiki (Garagarza-Mondragón) ha conservado un importante depósito de sus ocupantes en el Musteriense (60.000 a 30.000 a. de C.): aquellas gentes, del tipo de Neanderthal (del que se ha recuperado un húmero femenino y algunas piezas dentarias), tallaban sus útiles de piedra en la misma cueva abandonando en su suelo los restos de sus cacerías. El nivel de base de la cueva de Amalda (Aizarna-Cestona) también se atribuye al Musteriense. En el Paleolítico Superior del Sur Oeste de Europa se da la aparición y desarrollo del hombre de Cro-Magnon, al que se deben interesantes innovaciones culturales, tanto técnicas (depurado trabajo de astas y huesos y del utillaje lítico) como expresivas (arte rupestre) y en los modos de vida (territorios fijos de caza, progresivo asentamiento en su interior...). Los restos físicos de aquel tipo humano sólo se han hallado en un yacimiento guipuzcoano (Urtiaga, en el Magdaleniense avanzado); pero los rastros de su actividad y estancia son relativamente numerosos.
A la primera mitad del Paleolítico Superior (Auriñaciense y Perigordiense) corresponden algunos niveles arqueológicos de las cuevas de Lezetxiki, Aitzbitarte (Rentería), Amalda y Usategui (Ataun). En el Solutrense hay un particular desarrollo de las técnicas de talla fina del silex en puntas de flecha de formas específicas: se han definido sus evidencias en Amalda y, sobre todo, en Aitzbitarte y Ermittia (Sasiola-Deva). En la última parte del Paleolítico Superior, con la cultura Magdaleniense ( 15000 a 8500 a. de C.), se alcanza en toda la fachada cantábrica una densa ocupación por grupos dedicados a la caza especializada del ciervo (o, en zonas abruptas, del sarrio y de la cabra montés), que producen un sofisticado instrumental en sustancias óseas y son los autores de los más interesantes "santuarios" del arte rupestre. El Magdaleniense guipuzcoano ofrece importantes niveles de ocupación en las cuevas de Lezetxiki, Ermittia, Aitzbitarte, Urtiaga (Itziar-Deva), Errailla (Cestona) y Ekain (Deva), una excepcional muestra del arte portátil (un hueso de ave decorado con grabados minuciosos de seis cabezas animales y una humana) en Torre (Oiartzun) y los dos magníficos conjuntos de grabados y pinturas rupestres de Ekain y Altxerri (Aya).
La mayor parte de esas cuevas continuarán albergando en el Epipaleolítico (o Mesolítico) grupos de cazadores que labran un utillaje lítico de menor tamaño, aprovechándose progresivamente de los recursos alimenticios de la costa, ríos y bosques y abandonando por completo las formas de expresión del arte rupestre. A partir del Aziliense, la mejoría climática postglaciar favorece la expansión hacia tierras más alejadas de la costa, en cotas superiores de altitud: así, Paleolítico e., la cueva de Pikandita (Ataun). La estratigrafía de la cueva de Marizulo (Urnieta) ilustra, en los 2,5 m. de su espesor, ese proceso de cambio climático y cultural entre quienes la ocuparon en sus niveles de base y los que, posteriormente, van aceptando algunas de las innovaciones del Neolítico.
El Neolítico guipuzcoano es difícil de distinguir del conjunto de la primera Edad de los Metales (Eneolítico y Bronce). En este complejo cultural (que va, aproximadamente, del 4000 al 1000 a. de C.) se produjeron importantes cambios de índole social (crecimiento demográfico, intensa cultura pastoril, extensión del hábitat al aire libre...), técnica (pulimento de la piedra, cerámica, metalurgia...) y de creencias (depósitos funerarios colectivos, probables cultos astrales...). Los restos dejados por aquellas gentes (entre las que se ha controlado un elevado porcentaje de individuos del tipo racial pirenaico-occidental) se extienden por toda la provincia: talleres o chozas al aire libre (Higuer, Jaizquibel), cuevas de habitación (Jentiletxeeta en Mutriku, Agarre en Elgóibar, Olatzaspi en Asteasu, Zabalaitz en Urbia, además de muchas de las ocupadas en el Paleolítico), cuevas y abrigos de depósito funerario (Sorgiñzulo en Belaunza-Tolosa, Txispiri en Gaztelu...).
De gran interés son más de centenar y medio de monumentos funerarios (cámaras megalíticas, o dólmenes; o túmulos de piedras y tierra) que se emplean como recintos de depósito de inhumación colectiva acompañada de ajuares como ofrenda. Los dólmenes, agrupados en estaciones bastante densas, se ubican en zonas montañosas y de pastos, coexistiendo a menudo con estructuras tumulares. Buena parte de los dólmenes guipuzcoanos fueron descubiertos y excavados antes de la guerra civil por Aranzadi, Barandiarán y Eguren (así los de las estaciones de Elosua-Placencia, Aizkorri-Urbia, Altzania, Ataun-Borunda, Aralar...); a ellos deben añadirse los grupos de más reciente investigación (Igoin-Akola, Andatza-Ernio, Adarra-Mandoegui, Elguea-Artia, Udala-Intxorta, Otsabio-Zarate...). Entre los túmulos, identificados en los últimos quince años, destacan los de Satui-Arrolamendi (con diámetros en torno a los 20 metros y con una "arquitectura" bien definida), Elguea-Artia, Andatza-Ernio y Murumendi. En Elguea-Artia se han señalado, además, dos gran des hitos de piedra (uno de ellos, el de Mugarriaundi, de más de 5 m. de alto), al estilo de "menhires".
A partir de los años 1000 a. de C., con la Edad del Hierro, hubo varias oleadas de invasión de la Península por parte de grupos humanos transpirenaicos: no debieron afectar demasiado, por ser territorio un tanto marginal, a Gipuzkoa. Algunos de los dólmenes y túmulos anteriores continuarían en uso pero, por lo común, el nuevo rito de cremación de los cadáveres optó por la construcción de amontonamientos tumulares de menor tamaño o de círculos de piedra (en eusk. baratzak; al estilo de "cromlechs"), en cuyo centro se depositaban las cenizas del difunto. Es llamativa la concentración de tales monumentos en las crestas montañosas de la franja oriental de Gipuzkoa, limítrofe con Navarra. Un poblado de cierta entidad se ha definido en el castro de Intxur (Aldaba-Tolosa), con un amplio recinto fortificado. En las proximidades de la peña de Axtroki (Bolíbar-Escoriaza), donde se ubicó otro poblado, se han encontrado dos espléndidos cuencos de chapa repujada de oro (datables en los siglos VIII a VI a. de C.), procedentes con seguridad de Europa Central o Nórdica.
En la cueva de Usastegui (Ataun) se halló un reducido conjunto de denarios ibéricos, acuñados a fines del siglo II a. de C. en Barscunes, Turiasu y Secobirices, es decir, en poblaciones de la cuenca del Ebro o de la Celtiberia. Sólo a fines del siglo I. a. de c:. los eruditos grecolatinos comienzan a prestar atención a esta remota fachada atlántica vasca, recogiendo noticias parciales de sus tribus y poblaciones. Las referencias escritas más útiles se hallan en la Geografía de Estrabón, en la Corografía de Pomponio Mela, en la Historia Natural de Plinio el Viejo, y en las tablas geográficas de Ptolomeo. Según ellos, por los años del cambio de Era la mayor parte de Gipuzkoa estaba ocupada por los Várdulos limitando su territorio por las cuencas del Deba (al Oeste estaban los Caristios) y del Oiartzun (al Este, los Vascones). Los principales núcleos de población que se citan en Gipuzkoa no han sido identificados con precisión; de Oeste a Este se hallan en la costa y son Tritium Tuboricum (desembocadura del Deba), Menosca (¿entre Urola y Oria?), Morogi (por el Urumea) y Oiasson. Con este topónimo (que perdura en el de Oiartzun y quizá en el de Bidasoa) se alude a tres entidades geográficas distintas: a una ciudad de los Vascones, a un promontorio o cabo costero, y a un lugar de paso, despejado, fronterizo entre Iberia y Aquitania. Es en el extremo nororiental de Gipuzkoa (en las cuencas bajas del Oiartzun y del Bidasoa) donde se concentran los únicos restos significativos de una segura presencia romana: las explotaciones mineras de Arditurri (Oiartzun), el establecimiento urbano de Juncal (Irún) (del siglo I), la necrópolis de urnas y el probable templo de Ama Xantalen (Irún) (aquélla de los siglos I y II, éste acaso del IV), los restos sumergidos del fondeadero de Asturiaga (Hondarribia) (de los siglos I a. y I d. de C.), diversos hallazgos de monedas en Irún, Oiartzun, Pasajes..., o la estela funeraria de Andrearriaga, en Oiartzun, dedicada a un Valerius Beltesonis. De la escasa locuacidad de aquellas fuentes escritas y de la concentración y carácter de estos restos arqueológicos se deduciría una presencia muy limitada de los romanos en suelo guipuzcoano, que seguramente no pudo alcanzar un grado suficiente de penetración cultural (de romanización efectiva de los indígenas). Tal presencia se circunscribe al litoral oriental durante los dos primeros siglos del Imperio: probablemente motivada por la explotación de filones de plomo y de hierro, a los que se accede y beneficia por vía marítima.