A partir du Paléolithique, une nouvelle civilisation voit le jour, celle des Homo Sapiens, auteurs d'une industrie lithique (taille de la pierre) et osseuse raffinée et diversifiée.
Ils se distinguent également par leur art pariétal (peintures et gravures rupestres) comme en témoigne la grotte d'Henri COSQUER découverte en 1991, véritable Lascaux sous la mer.

Des prélèvements ont révèlé que la grotte ne servait pas d'habitat, mais plutôt de lieu de culte, et qu'elle a été fréquentée lors de deux périodes différentes: -27000 ans, datation de la fresque des mains en négatif, et -18000 ans pour les dessins et gravures d'animaux.

A ces époques de grand froid, les hommes de Cro-magnon sont vêtus de peaux cousues, vivent en groupe et établissent leurs campements au pied des falaises devant les très nombreuses grottes de la région. Ce choix vise à les protéger des fauves et des ennemis, mais aussi du mistral froid venant du Nord-Ouest.
Ils y trouvent bien d'autres avantages comme la présence d'eau douce par les rivières souterraines; la proximité de la mer offrant le sel et une nourriture abondante avec les pingouins, les phoques...

Des traces de présence humaine dans les collines de La Ciotat nous viennent du néolithique (3000 - 2000 av. JC) avec l’implantation de tribus sédentaires. Une falaise de la route des Crêtes a servie d'abri au gîte d’Ellianac où l'on a découvert des céramiques, des pierres taillés, des restes de nourriture et des sépultures. Des sépultures collectives et des objets ont été aussi trouvés dans la grotte de Terrevaine. Organisés, les premiers habitants de La Ciotat vivaient en tribus de cueillette, de chasse, de pêche, mais aussi d’élevage et d’agriculture.

Au début du VIè siècle av. J.C., les Celto-Ligures occupant alors toute la région, voient arriver du haut des falaises de nombreux bateaux grecs. Selon la "légende de Gyptis et Protis", au cours d'un banquet, le roi Nann offre la main de sa fille Gyptis au Phocéen Protis, ainsi qu'un territoire pour y fonder le comptoir grec de Massalia.
L'introduction de l'olivier remonte à cette époque, ainsi que la culture de la vigne qui jusque là poussait à l'état sauvage, mais dont les indigènes tiraient déjà un bon nectar.

La grande activité marchande de ce nouveau port va favoriser l'expansion de l'influence grecque, et l'afflux croissant de richesses va éveiller bien des tentations. Du haut des falaises, la piraterie Ligure surveillait la mer et les lourds bateaux venant d'Orient chargés de marchandises. Autant de proies faciles, surtout quand ils devaient lutter contre le Mistral pour atteindre Massalia.
Ils ont sûrement contribué à nous léguer quelques unes des nombreuses épaves recensées dans la région.
La piraterie pris par la suite une telle ampleur que Massalia appela Rome à son secours. Les romains chassèrent les Celto-ligures à l'intérieur du pays et détruisirent tous les "oppida" (fortifications). Sur la Couronne de Charlemagne ou Baou Redoun, on distingue encore les vestiges d'un oppidum.

Vers la fin de l'empire romain, la bourgade compte quelques pêcheurs, agriculteurs, corailleurs, tailleurs de pierre, marins et autres artisans.
Déjà, la pierre de Cassis va être extraite de la Calanque de Port Miou. Cette pierre dure et franche va servir à paver les voies romaines, à édifier des quais et à construire des villas.

Toute l'histoire de Marseille qui va suivre, va avoir une influence sur l'évolution de ce petit port voisin et de son environnement...

Comme en témoignent les roches calcaires des massifs environnants, constituées pour l'essentiel d'organismes marins fossilisés, il y a 140 millions d'années, toute la région de Cassis, la Provence et même les Alpes se trouvaient sous le niveau de la mer. Au Sud, à la place de la Méditérranée actuelle s'élevaient les hautes montagnes d'un continent.

Il y a 6 millions d'années, à la faveur d'un climat très chaud et d'une importante évaporation, la Méditerrranée va s'assécher, de profonds canyons vont se creuser comme celui de Cassidagne avec déjà 1000 m de profondeur à 8 km au large de Cassis.

Par la suite, l'ère quaternaire est marquée par de longues périodes de glaciation entrecoupées de réchauffements entraînant d'importantes variations du niveau de la mer et des pluies torrentielles dont l'écoulement va accentuer le creusement des Calanques. Les eaux de pluies froides, acides et très corrosives pour les roches calcaires vont les creuser profondément.

Cela explique la formation des Calanques, des nombreuses grottes et rivières souterraines, et aussi d'arches, chandelles et aiguilles qui font toute l'originalité et la beauté du site.