Хронологічні рамки досліджуваних відділом наукових проблем охоплюють часовий проміжок від 1 млн. років до 6 тис. років тому.

На цей період припадає становлення таких складових людського суспільства як сім’я, община та плем’я, релігія і мистецтво, основи відтворюючого господарства. Відтак, тематика, охоплена дослідженнями співробітників відділу, є невід’ємною складовою глобальних питань антропо- та соціогенезу, поширення землеробства та скотарства, формування культурно-генетичного субстрату великих мовних спільностей. Для їх розв’язання первісні пам’ятки України мають ключове значення, адже вони лежать в зоні контактів населення кількох культурно-історичних провінцій кам’яної доби – атлантично-балтійської, анатолійсько-балканської, каспійсько-кавказької та степової.

Виявлення, вивчення цих пам’яток визначають основні напрямки роботи відділу:
– створення джерельної бази проблематики в процесі польових досліджень;
– введення в науковий обіг нових добутих розкопками джерел;
– вивчення шляхів первинного заселення території регіону у ранньому палеоліті;
– вивчення ранньої пори верхнього палеоліту часів співіснування в Європі класичних неандертальців з ранніми Homo sapiens;
– розробка проблем періодизації та культурної диференціації палеоліту Центральної, Північної та Західної України;
– дослідження унікальних жител з кісток мамонтів на стоянці Гінці;
– вивчення проблеми господарської адаптації верхньопалеолітичних мисливців степової України;
– вивчення духовної культури (мистецтва та вірувань) населення України доби верхнього палеоліту та мезоліту;
– розробка проблеми «неолітичної революції» на території України із застосуванням сучасних методів природничих досліджень.

Крім власне дослідницьких робіт діяльність відділу здійснюється і за іншими важливими напрямками:
– підготовка періодичного видання «Кам’яна доба України»;
– співпраця з Національним університетом «Києво-Могилянська академія» з підготовки нового покоління українських археологів;
– підготовка через аспірантуру фахівців з проблематики археології кам’яної доби, надання методичної допомоги здобувачам у написанні кандидатських та докторських дисертацій;
– координація зусиль археологів, які ведуть польові дослідження пам’яток кам’яної доби на території України;
– рецензування поданих до Польового комітету Інституту археології НАНУ наукових звіти про дослідження пам’яток кам’яного віку;
– проведення заходів, спрямованих на охорону та популяризацію пам’яток кам’яної доби.