W czterech skamieniałościach neandertalczyków znaleziono wyłącznie sekwencje mtDNA charakterystyczne dla tego gatunku. Pięć skamieniałości wczesnych ludzi współczesnych nie zawierało mtDNA neandertalczyków, mimo podobnego stanu zachowania. MtDNA podobne do neandertalskiego znaleziono we wszystkich dobrze zachowanych szczątkach neandertalczyków. W starożytnych próbkach powszechnie występuje zanieczyszczenie DNA współczesnych ludzi, ale mtDNA neandertalczyków jest autentyczne. W skamieniałościach przejściowych z Vindiji i Mladeča brakuje mtDNA neandertalczyków. Wyklucza to udział mtDNA neandertalczyków większy niż 25% 30 000 lat temu w modelu stałej populacji. Nie wyklucza się mniejszych udziałów, ale nie znaleziono na to żadnych dowodów. Różnorodność mtDNA neandertalczyków odpowiada tej u współczesnych ludzi, jest niższa niż u małp człekokształtnych. Wczesni ludzie współcześni stanowią dwukrotność próbek mtDNA z górnego plejstocenu. Model stałej wielkości populacji odrzuca domieszkę neandertalczyków powyżej 25% przy poziomie istotności 5%. Scenariusze ekspansji populacji wykluczają nawet mniejsze udziały. Potrzeba pięćdziesięciu wczesnych współczesnych ludzi, aby wykluczyć 10% wkładu mtDNA neandertalczyków. Nie wykryto przepływu genów mtDNA od neandertalczyków do współczesnych ludzi ani odwrotnie. Primerzy neandertalczyków amplifikują się tylko u neandertalczyków, a nie u współczesnych ludzi. Wszyscy neandertalczycy mają wspólne, charakterystyczne substytucje mtDNA, których nie ma u ludzi.