古代 DNA 是指從古代生物標本中提取的 DNA 分子。DNA 分子在生物死亡後非常容易分解，因此獲取样本極為困難。但科學家还是努力做了一些尝试。 1980 年，湖南医科大学的研究人员从马王堆汉墓的女尸中提取了 DNA 和 RNA，这是世界上最早的古代 DNA 研究。 1984 年，加州大学伯克利分校的科学家从博物馆中保存的已经灭绝 150 多年的斑驴皮肤中提取了一些线粒体 DNA 序列，并通过与其近亲 — 马、驴和斑马的相关线粒体 DNA 序列进行比对，发现斑驴与斑马的亲缘关系最近，而与马或驴的亲缘关系较远。两年后，德国遗传学家保罗·普雷特 (Paul Pääbo) 又从数千年前死亡的木乃伊中提取到了 DNA。从此，在全球范围内掀起了研究古代 DNA 的热潮，并取得了许多重要的研究成果。
许多关于古代 DNA 的研究成果都涉及生物谱系关系这一主题，其中在破解尼安德特人的身份、尼安德特人与现代人的亲缘关系等谜题上发挥了重要作用。德国科学家分别在 1997 年和 2000 年获得了尼安德特人的线粒体 DNA，证明尼安德特人的线粒体 DNA 与现代人的线粒体基因库无关，从而支持了欧洲现代人单一地区起源学说。但是，通过新的测序技术在古代 DNA 领域的应用，德国的研究小组从三个女性尼安德特人骨骼中获得了 40 亿个碱基，绘制出了尼安德特人的基因组草图。通过与来自世界 5 个地区的现代人基因组进行比较，他们发现现代人有 1%～4% 的 DNA 来自尼安德特人，这表明现代人走出非洲后在中东遇到了尼安德特人，他们之间极有可能发生了小范围的基因交流。尼安德特人古代 DNA 的提取和基因组序列揭示了他们与现代人是否有基因交流的千古之谜。