Древнейшие свидетельства пребывания неандертальцев на территории Нагорного Карабаха относятся к палеолиту (Азыхская/Азохская пещера).
Медный (точнее, медно-каменный) век на территории Карабаха наступил на рубеже VI—V тыс. до н. э.; тогда же распространились скотоводство и примитивное мотыжное земледелие и небольшие посёлки с домами из сырцовых кирпичей. В эпоху ранней бронзы (III—II тыс. до н. э.) регион населяли носители Куро-аракской культуры, ещё относительно широко применявшие каменные орудия (топоры, вкладыши). Их сменили представители Ходжалы-кедабекской культуры (XIII—VII вв. до н. э.) поздней бронзы и раннего железного века, для которой характерны погребения в больших курганах, а также циклопические сооружения — менгиры и дольмены. В погребениях этой культуры, наряду с глазурованными сосудами, цилиндрическими печатями, различными золотыми изделиями и т. д., обнаружена агатовая бусина с именем ассирийского царя Ададнерари —, по-видимому, (хотя вопрос спорный), Адад-нирари I, 1307—1275 до н. э. Около 1000 года до н. э. в Карабахе, как и во всём регионе, научились получать железо и изготавливать железные орудия.
По мнению Роберта Хьюсена, автохтонным населением региона были различные племена, преимущественно не индоевропейского происхождения. Когда и как произошла арменизация края, в точности неизвестно. Французский историк-кавказовед Жан-Пьер Маэ[fr] считает, что правобережье Куры (исторические Арцах и Утик) было сильно арменизировано начиная с IV века до н. э.[3]. Согласно американскому историку Р. Хьюсену автохтонное население Арцаха и Утика было сильно арменизировано в период вхождения этих регионов в Великую Армению, в 189 г. до н.э.—387 г. н. э.. Другие источники, с опорой на классических авторов Ксенофонта и Геродота, утверждают, что армяне распространились до реки Кура уже в VII веке до н. э.[4]. Российский историк А. П. Новосельцев полагает, что часть местного разноплемённого населения в приграничных с Албанией районах Армении была арменизована в эпоху поздней античности, в период политической гегемонии Армении до её раздела в 387 году.
Мнение ряда армянских историков об этнически армянском население правобережья Куры, начиная с периода Ервандидов подверглись критике со стороны ряда российских исследователей, указывающих на игнорирование этими историками исторического неармянского населения региона. В свою очередь, ряд азербайджанских историков, в русле «всеобщей тюркизации» азербайджанской историографии, производит тюркизации Кавказской Албании, заявляя, что племена региона изначально были тюркскими.
