もっとも古くに見えるのは、『万葉集』20巻の千葉郡出身の防人大田部足人の詠んだの一首だといわれている。地殻変動により隆起して半島が形成された。上総の山稜地帯はその名残である。今から約12万年前は、関東平野のほとんどは海面下で、現在の千葉県は房総半島南部の山脈と銚子周辺の高台が小島として水面上に出ていたのみと考えられる。約2万年前のヴュルム氷期になると、海岸線の大幅な後退と周辺山脈の活発な火山活動などに伴い海面は、現在より、80 - 100mも低くなり、東京湾は盆地（陸地）となっていたとされる。台地から流れ出た水は、最終的に古東京川（現東京湾沖にあった）と呼ばれる大河を形成し、古太平洋へと注いでいたという。富津沖の中ノ瀬は、当時の川中島であり、観音崎から急に水深が深くなっているのは、古東京川の流れがえぐったためではないかと考えられている。 縄文時代が始まる約1万年前から気温が上昇し、氷河が溶けると海水面は再び上昇し、現在よりも5 - 10mほど高くなり、関東平野には古東京湾と古鬼怒湾（後の香取海）の2つの湾が形成され、島状になっていたとされる。
千葉県の旧石器時代の人々は、古鬼怒川沿いに石器の原材料を求め北は高原山から南は房総半島の嶺岡山地の間約200km以上にも及ぶ長い領域の間を移動しながら生活を営み、主な狩場である常総台地ではナウマンゾウやオオツノシカなどを食料にした狩猟生活を営んでいたと考えられている。そのため、狩猟に使用するための石器などを使用した道具が進化した。石器は、黒曜石やサヌカイトを使用したものが著名で、千葉県最初の旧石器時代の黒曜石は、市川市国府台にある立川ローム層等から発見された。千葉県には、石器の原料となる産地が乏しく、高原山や甲信地方の中央高地などから運ばれたと考えられている。千葉県の旧石器時代の遺跡は、300数十箇所ほど発見されており、県北部の台地に多い。そして、印西市（旧・印旛村）では、日本初のナウマンゾウの全身骨格が発見され、成田市（旧・下総町）では、ナウマンゾウの頭骨が発見されている。縄文時代の遺跡としては、貝塚がよく知られている。
縄文時代の貝塚は日本各地に約2300か所を数え、関東地方には、約1000か所が集中している。特に東京湾周辺は、貝塚の宝庫と呼ばれ、約600か所が密集しており、千葉県の東京湾域、利根川流域の台地には644か所ほどの遺跡が見られる。千葉市にある加曽利貝塚が有名で、千葉市若葉区の台地には、加曽利貝塚博物館が建っており、発掘品のほか、野外施設で貝の堆積状態を観察することができる。また、縄文遺跡の落合遺跡（東京大学検見川総合運動場）から発掘されたハスの実は発芽に成功し、大賀ハス（古代ハス）と呼ばれ、世界中に株分けされた。県内では、成田市の荒海貝塚から縄文から弥生時代へ移り変わる頃の籾殻痕がついた土器が見つかっており、イネの栽培が行われていたと推定されている。ただ、千葉県内ではこれまで台地上の発掘調査が多いこともあって、水田跡はまだ見つかっていない。農耕社会に入ると、『ムラ』の形態が変化し、これまでの採集経済に代わり、生産経済が展開されていく。
この過程の中で環濠集落が出現するが、千葉県では1979年（昭和54年）から行われた佐倉市の六崎大崎台遺跡の発掘で発見されている。遺跡は台地にあり、周辺の低地には、水田が広がり、そこでは技術的に完成された農業が営まれていたと推測されている。環濠集落は、政治的施設や生産工房を府置した政治的軍事的な「城塞集落」で、佐賀県の吉野ヶ里遺跡は、前者の数十倍の規模があり、陸橋・門柱・柵列や物見櫓が見つかっている。また、環濠内には弥生墳丘墓や祭祀施設も備わっていたことがわかっている。遺跡の多くは山（標高20m - 30m程度の高台）側に多く分布している。これは、縄文海進の影響によって当時の水位は現在よりずっと高く、現在の千葉県の多くの低地が海中に沈み、県域は、北部の香取海、南部・東部の古太平洋と西部の古東京湾によって、本州と完全に仕切られた「島」となっていたためで、この影響は、平安時代から鎌倉時代まで続いたとされる。
この影響は、日本武尊に関する説話など、各地の伝承や伝説などにも見受けられる。岩屋古墳6世紀後半になると、畿内では前方後円墳は姿を消し、古墳は小型化する。7世紀になると仏教寺院が建立されるようになるが、東国では、7世紀初めまで前方後円墳が築造されていた。千葉県にある同時期の遺跡としては、栄町及び成田市にある龍角寺古墳群（古墳総数は111 - 124基）がある。遺跡は、印旛沼の東岸（印波国造の影響域と推定されている）にあり、周辺は千葉県立房総のむら（体験博物館）として整備されている。龍角寺古墳群は6世紀に始まったとされ、7世紀末までの200年間、複数の古墳と寺院が築造されたもので、東国における墳墓（古墳から寺院）形態の変化を知る上でも重要な遺跡として全国的にも著名である。浅間山古墳（竜角寺111号墳）の副葬品は7世紀中葉までに及び、墳丘長が78mで、全国的に見ても最後の大型前方後円墳のひとつといわれる。この直後に造られたのが岩屋古墳（竜角寺105号墳）で、1辺78m、高さ12.2mの方墳で、終末期の方墳としては、日本最大である。
安房・上総・下総の各国には、駅（駅家）が設置され、駅馬と伝馬が配備されていた。この三国が属した東海道は中路とされた。安房国には駅馬が白浜・川上各5頭が配備、上総国には駅馬が大前・藤潴（ふじぬま）・島穴・天羽の各郡に5頭、伝馬は海上・望陀・周淮・天羽の各郡に5頭、下総国には駅馬が井上10頭、浮嶋・河輪各5頭、茜津・於賦（おう）各10頭、伝馬が葛飾郡10頭、千葉・相馬の各郡5頭が配備されていた。この荒廃の中で台頭してきたのが、忠常の嫡流の子孫の千葉氏（上総氏も含む）である。千葉氏は下総国千葉荘を本拠とした豪族で、坂東八平氏・関東八屋形の一つに数えられる名門氏族として総州で栄えたといわれている。千葉氏系の氏族としては、相馬氏 、武石氏、大須賀氏、国分氏 、東氏、葛西氏、椎名氏、臼井氏、原氏、遠藤氏、円城寺氏、高城氏などの諸流がよく知られている。このうち、相馬氏と遠藤氏、高城氏は明治維新まで存続する。しかし、千葉氏も平安時代までは、俗に言う私営田領主（地方領主）で、国司が交代する度に荘園の認定を得なければならなかった。
そのため、平氏政権の影響が地方にも及ぶ頃には、下総国司だった藤原親通によって官物未進（租税滞納）を理由に相馬御厨や立花荘（東荘）が没収されるなど、困難な状況に追い込まれていた。千葉氏は、これらの荘園の回復のため、長期間奔走するが、懸命の努力にもかかわらず、源義朝を経て、藤原親盛（親通の子）から譲り受けたと主張し、介入してきた常陸の佐竹義宗に奪われるなど、平家方の親通が土着する過程で、被害を受ける在地領主の一人にしか過ぎなかった。そのような困難な状況を打開する転機となったのが、平安時代末期の鎌倉幕府創設への貢献だった。
