Au total, un peu plus d'une quinzaine d'occupations paléolithiques ont été inventoriées grâce aux opérations de diagnostics et de fouilles réalisées sur la LGV. Quelques industries lithiques évoquent le Paléolithique inférieur, d'autres le Mésolithique, mais les industries du Paléolithique moyen ou supérieur sont mieux représentées.

En Charente, le site de La Grande Brousse à Londigny, localisé sur le seuil du Poitou, à la jonction des Bassins parisien et aquitain, a livré, piégée en bordure de doline, une séquence stratigraphique du Pléistocène moyen et du début du Pléistocène supérieur, incluant plusieurs ensembles archéologiques des Paléolithiques inférieur et moyen. La présence de dolines dans ce secteur a permis la conservation d’une sédimentation qui couvre les 400 000 dernières années. Le gisement de Londigny constitue à l'heure actuelle un des rares témoins des activités humaines sur le seuil du Poitou au Paléolithique ancien en contexte stratigraphique et chronologique fiable.

Le site paléolithique du Canton des Bergauds à Clérac, en Charente-Maritime, consiste en un unique niveau archéologique de silex taillés, abrité dans une légère dépression du relief. L’industrie lithique est une mosaïque totalement originale, sans équivalent connu à ce jour, réalisée au cours du XII^e millénaire avant notre ère. Outre la taille du silex, l'activité la mieux représentée sur le site est le travail du cuir, mais les animaux ne sont ni abattus ni découpés sur le site. Le statut de l'occupation n'est donc pas si habituel en plein air. Il ne s’agit en effet ni d’une halte de chasse, ni d’un simple atelier de taille du silex, mais plus probablement d’un établissement temporaire stratégique. Une sorte de camp avancé à l'écart du camp de base principal, implanté de telle sorte qu'il permette d’accéder à un maximum de ressources différentes (eau, silex, animal, végétal…) sur un périmètre le plus restreint possible.

Quant à la fouille menée au Caillou, à Lapouyade, en Gironde, sur environ 1 000 m^², elle a révélé un campement de chasseurs de la fin du Paléolithique, entre 14 700 et 10 700 ans avant notre ère. Les vestiges se répartissent en deux larges concentrations, essentiellement composées de silex taillés. Alors que les occupations de cette période sont connues dans la région en grotte ou sous abri, il reste exceptionnel d'en retrouver des vestiges en plein air. À cette période charnière entre Pléistocène et Holocène, cette région désertique des Sables des Landes, recolonisée par la végétation et notamment la pinède, devient sans doute le nouveau terrain de chasse des dernières populations nomades de la fin de la Préhistoire.

Les occupations protohistorique et antique du site de Nétilly à Sorigny, en Indre-et-Loire, ont paradoxalement permis de préserver les vestiges d'un campement du Paléolithique supérieur. Au cours de la première moitié du X^e millénaire avant notre ère, cette culture de la fin du Tardiglaciaire (Belloisien) se distingue par la production de lames rectilignes pouvant être de grand gabarit, débitées au percuteur de pierre tendre. Le site de Nétilly constitue à ce jour le point d'extension le plus méridional du territoire des groupes de chasseurs-cueilleurs belloisiens dont la sphère culturelle se rattache au nord-ouest de l'Europe.

Dans le vallon de Grouet, à Pussigny, en Indre-et-Loire, trois campements de la fin du Paléolithique supérieur, aux alentours de 11 000 ou 10 000 ans avant notre ère, ont été fouillés, chacun sur une surface d'une vingtaine de mètres carrés. Des vestiges osseux ont été préservés au sein de deux campements, fait rare sur les sites de plein air en région Centre, où le contexte sédimentaire trop acide entraîne le plus souvent leur dégradation. L'occupation de la fin du Paléolithique supérieur présente plus de 500 restes de faune, attestant la chasse de grands animaux (aurochs, cerfs) et leur découpe sur place. Un campement, attribué à l'Azilien, culture du Paléolithique final, a livré au sein d'un foyer en cuvette plusieurs centaines de fragments d'os brûlés. Il s'agit exclusivement de lièvres et de lapins, dont l'association est inédite pour la moitié nord de la France.

Pour le Néolithique, c'est surtout dans la vallée de la Vienne que les sites sont le mieux documentés. Ailleurs, ils sont très mal caractérisés.  

Ainsi, en Indre-et-Loire, plusieurs vestiges du Néolithique ont été identifiés dans les tourbières de Pussigny et Ports.

Au Barrage, à Ports, la fouille réalisée en bordure de Vienne, le long de l'A10, a permis de mettre au jour une vaste enceinte néolithique à fossés interrompus. Au cœur de cette enceinte, une cinquantaine de structures de combustion a été observée. Il s'agit de fosses, peu profondes, dans lesquelles ont été accumulées des pierres. La réalisation d'un feu, recouvert ensuite de terre par exemple, permettait la cuisson des aliments à l'étouffée. Ces fours nécessitaient d'être entièrement démontés et curés pour une nouvelle utilisation.

Un peu plus au sud, à Pussigny, la vallée du Grouet présente une forte occupation aux différentes périodes du Néolithique. Habitats et nécropoles sont reconnus sur une distance d'environ 3 km à Grouet, au Fond d'Arrêt, ou bien encore au Vigneau.

Sur l'autre rive de la Vienne, à Maillé, plusieurs autres occupations ont été reconnues, à La Forgeais, Le Perrou 1, Le Perrou 2, Bois Semé, ou bien encore Bois Adrien, là encore étendues sur environ 3 km. Au Perrou 1 et 2, la période du Néolithique est surtout représentée par des vestiges mobiliers lithiques et céramiques. Les objets lithiques sont presque uniquement façonnés à partir de silex provenant d'ateliers de la région du Grand Pressigny. Au Bois Adrien, l'analyse fine des coupes, couplée à des études micro-morphologiques, révèle la présence de probables vestiges de murs confectionnés en terre crue. Peut-être implantés dès le Néolithique moyen II, ces bâtiments montrent plusieurs phases d'aménagement, témoignant d'une occupation humaine qui perdure jusqu'au Néolithique final.