Güçlü bedensel özelliklere sahip olan Neandertaller yukarıdan aşağıya basık, yanlara doğru genişlemiş iri bir kafa yapısına sahiptir. Beyni o kadar büyüktür ki, günümüz insanının ortalamasından bile daha fazladır. Alnı modern insanınkinden daha basık, kaş kemerleri birbirleriyle birleşik ve gözlerin üzerinde bir siperlik yapacak şekilde ileri doğru fırlaktır. Kafatasında dikkati çeken en belirgin özelliklerinden biri, art kafa kemiklerinin geriye doğru uzanan yumru şeklindeki çıkıntısıdır. Günümüzdeki insana göre geniş bir burnu mevcuttur. Alın ve üst çene kemiklerindeki sinüsleri geniştir. Neandertaller, güçlü çiğneme kaslarına ve iri ön dişlere sahiptirler.