やがて氷河期が終わって気候が安定し、縄文時代に入ります。縄文時代と旧石器時代の違いとしては、土器と弓矢の使用、磨製（ませい）石器の使用、定住化、貝塚の形成といった諸要素が挙げられています。
大型獣が姿を消したことで人々は食料として森の木の実に注目し、採集した食糧の貯蔵や煮沸用に土器を用いるようになりました。約1万6000年前から約3000年前にあたる縄文時代には、草創期、早期、前期、中期、後期、晩期と6つの時代区分があり、これらは縄文土器の編年区分に準拠しています。そして、この編年区分に大きな影響を与えたのが、東置賜郡高畠町（たかはたまち）の日向（ひなた）洞窟です。

山形県域には日本海を伝って比較的早くに稲作が伝わり、たとえば生石（おいし）2遺跡（酒田市）からは炭化した米が発見されています。しかし、最上川流域では温暖化で村落が水没し、さらにその後の寒冷化によって稲作が困難になりました。
これまでに山形県内では、弥生時代の水田跡や木製農具は発見されていません。

山形県域で古墳がつくられるようになったのは古墳時代中期からで、4世紀末には山形県内最大の前方後円墳・稲荷森（いなりもり）古墳（南陽市）が造営されます。埋葬施設は未確認で被葬者は明らかになっていませんが、置賜地方を支配した当時の首長の墓であると考えられています。
なお、前方後円墳はヤマト王権の影響下にある地域で築造が許されたものであり、ヤマト王権が山形県域にまで及んできていたことがわかります。

大化の改新を経て律令国家が成立すると、712（和銅5）年には出羽国（でわのくに）が設置されました。出羽国は、中央府がさらに北へと蝦夷（えみし）侵攻を進めていくうえで前線拠点としての役割を担いました。
平安時代には山形県域には12の荘園（しょうえん）が成立していきます。このうち大泉荘（おおいずみのしょう）は現在の鶴岡市東部から東田川郡（ひがしたがわぐん）北西部にかけての広い地域にわたっており、後世には「大泉荘の内」の意味で「庄内（しょうない）」という地域名が用いられるようになりました。

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