El ADN antiguo se refiere a las moléculas de ADN extraídas de muestras biológicas antiguas. El ADN se degrada con mucha facilidad después de la muerte de un organismo, por lo que la obtención de muestras es extremadamente difícil. No obstante, los científicos han realizado algunos intentos. En 1980, los investigadores de la Universidad Médica de Hunan extrajeron ADN y ARN de la momia femenina de la tumba Han de Ma Wang Dui, lo que constituyó el primer estudio de ADN antiguo del mundo. En 1984, los científicos de la Universidad de California en Berkeley extrajeron algunas secuencias de ADN mitocondrial de la piel de un burro extinto que se había conservado en un museo durante más de 150 años y, al compararlas con las secuencias de ADN mitocondrial de sus parientes cercanos (caballos, burros y cebras), descubrieron que el burro extinto estaba más estrechamente relacionado con la cebra que con el caballo o el burro. Dos años más tarde, el genetista alemán Peter Pätzel extrajo ADN de momias que habían muerto hace miles de años. A partir de entonces, se desató una ola de investigaciones sobre el ADN antiguo en todo el mundo, lo que ha dado lugar a muchos hallazgos importantes.
Muchos estudios sobre el ADN antiguo se centran en el tema de las relaciones filogenéticas, que han desempeñado un papel importante en la resolución de enigmas relacionados con la identidad de los neandertales y su relación con los humanos modernos. En 1997 y 2000, los científicos alemanes extrajeron el ADN mitocondrial de los neandertales y demostraron que el ADN mitocondrial de los neandertales no estaba relacionado con el acervo genético mitocondrial de los humanos modernos, lo que respaldaba la teoría de la monogenia regional de los humanos modernos europeos. Sin embargo, gracias a la aplicación de nuevas técnicas de secuenciación en el campo del ADN antiguo, el equipo de investigación alemán obtuvo 4.000 millones de bases de tres esqueletos de neandertales femeninos y elaboró un borrador del genoma neandertal. Al compararlo con los genomas de humanos modernos de cinco regiones del mundo, descubrieron que entre el 1 % y el 4 % del ADN humano moderno procedía de los neandertales, lo que indica que los humanos modernos se encontraron con los neandertales en el Medio Oriente después de salir de África y es muy probable que hubiera intercambios genéticos a pequeña escala entre ambas especies. La extracción y la secuencia del ADN antiguo de los neandertales han desvelado el misterio milenario de si los neandertales intercambiaron genes con los humanos modernos.