Το απολιθωμένο κρανίο ανθρώπου, που βρέθηκε στο Σπήλαιο Πετραλώνων το 1960, είναι βεβαίως το πιο γνωστό από τα ευρήματα του σπηλαίου και το σημαντικότερο ανθρωπολογικό απολίθωμα του ελλαδικού χώρου. Πρόκειται για εύρημα υψηλής πληρότητας, ένα από τα πιο πλήρη και καλύτερα διατηρημένα ανθρώπινα απολιθωμένα κρανία, από το οποίο λείπει μόνο ένα μέρος της εμπρόσθιας οδοντοστοιχίας. Συγκρινόμενο με το κρανίο του σημερινού ανθρώπου, χαρακτηρίζεται από πιο επιμήκη και χαμηλότερο κρανιακό θόλο, ευρύτερο πρόσωπο με έντονα υπερόφρυα τόξα, μεγάλες οφθαλμικές κόγχες και ισχυρή οδοντοστοιχία. Ο όγκος του εγκεφάλου του ήταν λίγο μικρότερος, φτάνοντας περίπου τα 1200 cm3. Μορφολογικώς όμοια και καλά διατηρημένα κρανία είναι επίσης γνωστά από τη Γαλλία (Arago), τη Ζάμπια (Broken Hill / Kabwe) και την Αιθιοπία (Bodo).
Το κρανίο των Πετραλώνων κατατάσσεται ταξινομικώς στο είδος Homo heidelbergensis, ένα είδος του Μέσου Πλειστοκαίνου, που πιθανότατα αποτέλεσε τον κοινό πρόγονο του Ανθρώπου του Νεάντερταλ (Homo neanderthalensis) και του Σύγχρονου Ανθρώπου (Homo sapiens).
Η χρονολόγηση του κρανίου έχει επιχειρηθεί με διάφορες φυσικές μεθόδους, παραμένει παρ΄ όλα αυτά ακόμη ανακριβής. Οι πλέον αξιόπιστες ηλικίες που έχουν δημοσιευτεί κυμαίνονται από 150.000 έως 250.000 έτη πριν από σήμερα. Η μορφολογία του κρανίου δείχνει, ωστόσο, ότι θα μπορούσε να είναι και παλαιότερο, ίσως 250.000–300.000 ετών.