旧石器时代
旧石器时代，相当于人类历史从原始人群到母系氏族公社的过渡时期。当时人类使用比较粗糙的打制石器，过着采集和渔猎的生活。境内发现的旧石器文化遗址，重要的有塔水河遗址、西瑶泉遗址和下川遗址等。其中，塔水河遗址体现了古人类择地而居的智慧，下川遗址是黄河流域黍作文化的代表。
塔水河遗址
位于陵川县城南部45公里夺火乡塔水河村西南0.5公里处的“葫芦坝”，处在海河水系一条小支流塔水河上游左岸“Z”字形拐弯处，属于旧石器时代晚期文化遗址。
该遗址1985年被发现，是一处岩洞类型的岩棚遗址，所谓岩棚，就是上部岩石突出，底部后缩，形如房屋的出檐，它虽不像岩洞那样深邃，但仍是人类遮风避雨、防御野兽的好住处。该岩棚沿河长约35米，底部内深10米。1985—1987年，山西省考古所对该遗址进行了发掘，在从上到下出露的约11米的堆积中，出土了人类头盖骨化石及大量的哺乳动物化石、石制品、灰烬层、烧骨、破碎骨片等，它们翔实地记录了2.6万年前晚期智人“塔水河人”的生活信息，从此把陵川的历史源头推前到旧石器时代。
该遗址一带的山地由奥陶系石灰石构成，河谷两岸悬崖峭壁，灌木丛生，植被茂密。塔水河两岸至少可以明显地观察到五级阶地，在第二阶地葫芦坝石灰岩棚下，堆积着深厚的文物遗存。出土了大量的石制品，主要是黑色燧石制作而成，类型有刮削器、尖状器等，尤其是尖状器制作既细致又规整。出土的人类化石为一些颅骨化石碎片。从其保留的部分矢状缝形态特征来看，这些颅骨碎片属于晚期智人的幼年个体。
石制品2000余件，其中经过第二步加工的标本近300件，约占石制品总数的15%。原料以燧石为主，其他原料如变质灰岩、脉石英、水晶等为数不多。石制品体质都比较小，最大的1件是脉石英制品，长、宽、厚分别为8.8厘米、2.2厘米、2.9厘米，重226克。工具类型除石核、石片外，仅有刮削器、尖状器和锥钻等，类型比较简单。其中刮削器数量最多，形式也比较多样，加工以单边单向修理为主，向劈裂面或背面加工者都有。尖状器有一定特色，不但加工细致，而且器形也比较规整，是塔水河石制品中的代表性器物。锥钻数量虽不多，但特征非常清楚。
塔水河发现的动物化石有披毛犀、马鹿、斑鹿、岩羊和绵羊等，属晚更新世动物群。它们所反映的是森林和草原的自然景观。说明在当时这一带曾有过较大面积的森林和草原。生活在这里的人们无疑是以猎取这些动物，尤以猎取羊类为其主要生活来源。
与塔水河遗址同一地区的旧石器文化遗址还有庄里遗址和西瑶泉遗址。
庄里遗址
位于陵川县附城镇庄里村南1.5公里处，大崮坨山东坡脚下，海拔1040米。地理坐标东经113°8′56″，北纬35°38′13″。大崮坨山基岩为石灰岩，层间夹有黑色燧石团块或条带。山麓低处堆积有棕红色亚黏土，厚度可达10米左右。剖面下部含有一砾石层，薄厚不等，厚20—50厘米。砾石普遍较小，均超不过10厘米，石器就产于其中。石制品原料为黑色燧石，属小型器石，其直径多在3—5厘米之间。从地层中获得标本数十件，其中以刮削器为主，修理痕迹清楚。经初步分析，文化时代可为旧石器时代晚期。
西瑶泉遗址
位于陵川县附城镇西瑶泉村西北800米处孔台河左侧的麻节洞，海拔930米，东经113°9′26″，北纬35°34′55″。洞穴围岩为奥陶石灰岩，孔台河属山区季节河，河谷宽约10米。麻节洞口走向为北西—南东向，洞宽约25米、深20米、高13米，现存堆积厚6米左右。从洞口剖面看，岩性大致可分为三层，即下部砾石层，中部为黄土（文化层），上部砾石层。文化层内含石器和牛、羊等哺乳动物化石及灰烬物质，共采集到石制品40余件，全为黑色燧石质，器形较小，直径多在3—5厘米之间，人工打击特征明显，但成器者较少，石片形状多不规整，从现有材料分析，主要使用直接打击法。经初步观察，麻节洞的文化时代，可属于旧石器时代晚期，其他地质时代为晚更新世晚期。
下川文化遗址
下川位于沁水县城西南约50公里，是中条山主峰历山东麓的一个山间盆地。1970年发现，文化遗物埋藏在盆地周边第二级阶地，属旧石器时代晚期文化，是中国最具代表性的几个细石器文化之一。由近20个地点构成遗址群，散布于中条山主峰历山东麓的沁水、阳城、垣曲三县毗邻纵横二三十公里范围内的山间盆地边缘，因沁水县下川附近发现最为集中而被命名为“下川文化”。1974—1978年，经山西省文物工作委员会与中国社会科学院考古研究所先后发掘调查认定。文化层的地质时代为晚更新世末期，碳十四年代测试，距今约2.3万年至1.6万年之间。
下川文化遗物包括细小石器和粗大石器两大类，主体是以黑色燧石制造的大批类型复杂的细石器。在初级产品中，虽然直接打击法的普通石片仍占绝大多数，但压制法的产物——锥状石核、柱状石核、楔状石核、漏斗状石核以及与之相应的大量细石叶代表了下川文化先进的石器工艺。粗大的石器也占有一定的比例，其中励石和研磨器的存在表明人们在日常生活中可能已广泛应用了磨制技术。在加工石器方面，除继承了传统的石锤直接修整方法，还出现了大量压剥法的产品。工具的类型有琢背小刀、雕刻器、尖状器、锥钻、石镞、石锯、石核式石器和各种式样的刮削器。在这些石器当中，琢背小刀、石核式石器、长身圆头刮削器、三棱小尖状器是下川文化的典型器物。此外，在下川遗址中还发现不少石叶和细石叶，完整者很少，大多数截断了一头或两头，其目的是为了作刀片使用，把这些截断的小刀片连续地镶嵌在骨把或木把上，使彼此接口平齐，减少间隙，以成为一件锋利而实用的骨刀、骨匕首或骨矛头。这是出现在旧石器时代末期，盛行于中石器时代和新石器时代的先进的复合工具。结合石镞、扁底三棱尖状器的发现，证明下川文化的主人已经普遍使用复合工具，从而促进了原始生产力的发展。在下川遗址中还发现有石磨盘、石磨棒，这是我国现有最早反映农业形成萌芽阶段的考古资料。下川石磨盘，中间由于多次研磨而下凹，显然是加工谷物的痕迹，代表着黄河流域黍作文化的先声。下川文化既有华北旧石器时代晚期细小石器传统所共有的一些特点，又以其进步的技术和精美的产品达到了典型细石器工艺水准，它为研究中国细石器工艺传统的内涵、特色和分布，旧石器时代过渡到新石器时代的生产力发展状况，以及当时人类从事的经济生活都提供了重要的实物资料。
从下川文化遗址发现的细石器和古脊椎动物化石及下川的地理特征还说明，下川文化时期，气候温暖，人类生活在依山傍水的区域。在河湾一带，浅水里生活着螺和蚌，深水中生活着青鱼和鲤鱼。近水的岸边长满野草，山上覆盖着层层森林，山里生活着大象、犀牛，山前的草原上生活着大群的羚羊、斑鹿、大角鹿、野驴和野马，与舜“耕历山，渔雷泽”的历史记载大体相同。下川文化遗址的发现，使泽州远古文明的神话传说得到科学的证实。
境内发现与下川文化同期的旧石器晚期文化遗址还有高平羊头山，阳城固隆、索泉岭等多处。
羊头山遗址
位于高平市神农镇羊头山下李家庄村北约500米处的山前坡地上。地理坐标为东经112°57′，北纬35°55′。1986年发现。这里的第四纪堆积不很发育，上部为灰褐色砂质亚黏土，多有扰动，厚0.3—0.1米，下部为微红色亚黏土，厚2.5米，再下为基岩。文化遗物分布于扰土层中。石制品有石核、石片、细石核、细石叶、圆头刮削器、雕刻器、凹缺刃器、锯齿刃器、楔形析器等，均以黑色燧石为原料。这些器物与下川文化中的同类石制品极为相像，可归入下川文化范畴。
固隆遗址
位于阳城县西北17.5公里。石制品分布在固隆村南的朝神山鳖盖顶上的略有沙质的红色壤土中。1958年9月获得石制品30件，虽有从地面采集到的，但多数来自地层之中。其类型有石核、石片、尖状器、刮削器等，原料均为燧石。
固隆的石核台面有修理现象，但较多的是利用自然作为台面，也有从打击台面的中间剖开继续打片的。固隆的石片一般都较薄较长较小，且多有使用痕迹，打击点较为清楚，半锥体亦较显著。石片角度多在110°—112°之间。石器都是由石片的劈裂面向背面加工而成。根据石核台面的精细加工和产生石片留下的浅长片疤以及薄长的石片来看，固隆的石制品代表着一种进步性质，其产生时代为旧石器时代晚期，地质时代为晚更新世晚期。这个地点因后来发现了细石核以及一些细石器类型，故将其划归了“下川文化”。