El genoma del hombre de Neardenthal se ha recuperado mediante la extracción de ADN de los fósiles hallados, en particular de un hueso fémur de un espécimen masculino de aproximadamente 38.000 años encontrado en la cueva Vindija en Croacia y de otros huesos encontrados en España, Rusia y Alemania. Se requiere solamente medio gramo de las muestras de hueso para diagramar la secuencia, sin embargo, ésta presentan muchas dificultades debido a la contaminación de las muestras con bacterias que colonizaron los cuerpos de los neardentales después de su muerte y otras provenientes de los humanos que manipularon los huesos durante la excavación y en el laboratorio.

El genoma del Neardental tiene aproximadamente 3,2 millones de pares base, lo cual lo hace muy similar en tamaño al del hombre moderno.

En el 2006, dos equipos de investigación trabajando sobre las mismas muestras publicaron sus resultados, el equipo de Green en la revista Nature, y el equipo de Noonan en la revista Science. Los resultados han sido recibidos con gran escepticismo, principalmente con respecto al asunto de un posible cruce del neardenthal con el humano moderno. El gen del habla FOXP2, el cual se encuentra en los humanos modernos, también fue encontrado con las mismas mutaciones en los especímenes de El Sidrón 1253 y 1351c, sugiriendo que los neardenthales habrían compartido con los humanos modernos las mismas facultades básicas del lenguaje.

En febrero de 2009, un equipo de investigación dirigido por el genetista Svante Pääbo, del Instituto Max Planck de la Antropología Evolucionaria, anunció que había completado el primer borrador del genoma neardenthal, lo cual cubre cerca del 63% de la totalidad de los pares. Los nuevos resultados sugieren que los neardenthales adultos sufrían intolerancia a la lactosa. Sobre el interrogante de si algún día sería posible clonar un Neardenthal, Paabo dijo que partiendo del ADN extraído de un fósil siempre será imposible.