No lugar da Seixosa, Freguesia da Encarnação, onde outrora existia uma praia, foram encontrados vestígios arqueológicos do período paleolítico, que indiciam uma das mais antigas presenças humanas na Europa, referenciados em museus tão importantes como o do Homem, em Paris. Um outro exemplo da ocupação do litoral do concelho durante a pré-história é o concheiro da praia de São Julião, na Freguesia da Carvoeira, ocupado por comunidades mesolíticas. Apesar de a maior parte dos vestígios deste período terem ficado submersos pelas alterações da linha da costa, este concheiro permitiu documentar o tipo de alimentação e de recursos do homem em 7000 a.C.

Durante o Neolítico (5000 a.C.), o aparecimento de comunidades agropastoris e das novas técnicas de trabalhar a pedra levaram à permanência de pequenos grupos em locais estratégicos com boas condições de recursos alimentares e de defensabilidade.

Exemplo de um destes povoados é o Penedo do Lexim, na Freguesia de Igreja Nova, reconhecido como um dos pontos-chave para a compreensão do Neolítico e da Idade do Cobre na Península Ibérica. Utilizado durante o Neolítico final, Calcolítico pleno e Idade do Bronze, ali foram recolhidos, destes períodos, vários tipos de artefactos relacionados com o quotidiano de um povoado fortificado. Do Neolítico estão também datadas outras estruturas, hoje desaparecidas, como o castelo de Cheleiros ou monumentos dolménicos, que apenas se conservam na toponimia, em Antas-Azueira e Antas-Gradil.
Para além do Penedo do Lexim, também na Serra do Socorro e na Tituaria - sepultura colectiva - foram encontrados vestígios do Calcolítico.