Paleolitik dönemden Bereketli Hilal bölgesinde yazının ortaya çıkışına kadar uzanan Mezopotamya'nın tarihöncesi, Dicle ve Fırat nehirlerini, Zagros eteklerini, Güneydoğu Anadolu'yu ve kuzeybatı Suriye'yi kapsar.Bu dönem, özellikle MÖ 4. binyıldan önce Güney Mezopotamya'da, kalıntıları alüvyon altına gömen veya Basra Körfezi'ne batıran jeolojik koşullar nedeniyle iyi belgelenmemiştir.Orta Paleolitik dönemde avcı-toplayıcılar Zagros mağaralarında ve açık hava alanlarında yaşayarak Mousterian taş aletleri üretiyorlardı.Özellikle Shanidar Mağarası'nın cenaze kalıntıları bu gruplar içindeki dayanışma ve iyileştirme uygulamalarını ortaya koyuyor.Üst Paleolitik çağda, Zagros bölgesinde, "Baradostian" olarak bilinen yerel Aurignacian kültürünün bir parçası olarak tanımlanan kemik ve boynuzdan aletler kullanan modern insanlar görüldü.Geç Epipaleolitik dönem, yaklaşık MÖ 17.000-12.000, Zarzian kültürü ve dairesel yapılara sahip geçici köylerin ortaya çıkışıyla işaretlenmiştir.Değirmen taşları ve havan tokmağı gibi sabit nesnelerin kullanılması yerleşikleşmenin başlangıcına işaret ediyor.MÖ 11. ve 10. bin yıllar arasında, Kuzey Irak'ta yerleşik avcı-toplayıcıların ilk köyleri ortaya çıktı.Bu yerleşim yerlerinde merkezi bir "ocak" etrafında inşa edilmiş evler bulunuyordu ve bu da bir tür aile mülkünü akla getiriyordu.Bu dönemin kültürel uygulamalarını vurgulayan, kafatasının korunduğuna ve yırtıcı kuşların sanatsal tasvirlerine dair kanıtlar bulundu.