ネアンデルタール人の脳容量は現生人類より大きく、男性の平均が1600 cm3あった
（現代人男性の平均は1450 cm3）。しかし、頭蓋骨の形状は異なる。
脳頭蓋は上下につぶれた形状をし、前後に長く、額は後方に向かって傾斜している。また、
後頭部に特徴的な膨らみ（ネアンデルタール人のシニョン）がある。
なお、性差・人種差を除外した同質な人類集団の中では脳の大きさは知能指数と相関係数0.4程度の相関があることが知られる。
このことから、現生人類と比較しても遜色のない知能を有していた可能性もある。