Viimeisen jääkauden jälkeen, noin 8500 vuotta sitten, maa alkoi nousta nykyisen Oulun alueella nopeasti. Nykyisen Keski-Euroopan ilmaston kaltainen lämpö houkutteli kivikauden asukkaita nousemaan rannikkoa pitkin pohjoiseen. "Ensimmäiset oululaiset" asettuivat tämän päivän kaupunginrajojen sisälle vajaa 4000 vuotta sitten. Nykyiseltä jokisuulta on alueelle matkaa noin 15 kilometriä. Oulun kaupungin ja Muhoksen kunnan rajalta tunnetaan hauta- ja asuinpaikkoja, jotka ajoitetaan tuohon aikaan, kivi- ja pronssikauden taitteeseen.

Hyvät hylkeenpyynti-, kalastus- ja metsästysalueet toivat asukkaille elannon. Ilmeisesti jotain jäi myös yli oman tarpeen, ja voitiin käydä kauppaa. Arkeologit ovat löytäneet kaivauksissaan myös mm. meripihkariipuksia. Nämä arvokkaat löydöt osoittavat, että alueen asukkaat olivat kauppamiehiä jo tuolloin, meripihkaa kun löytyi lähinnä Itämeren etelärannikolta.

Muutama sata vuotta myöhemmin Euroopan pohjoisreunallakin oli vähitellen tutustuttu metalliesineisiin. Ilmasto oli aiempaa kylmempi, joten asutus saattoi olla jonkin verran aikaisempaa vähäisempää. Idästä ja Skandinaviasta lähtöisin olevat pronssiesinelöydöt kertovat siitä, että Oulu oli jo tuolloin itäisen ja läntisen kulttuurialueen risteysaluetta. Kaakkurin alueen hautalöydöt - aseet ja korut - puolestaan kertovat yli 1500 vuotta sitten eläneistä rautakauden oululaisista, jotka olivat tekemisissä myös muualla Euroopassa asuneiden aikalaistensa kanssa.

Rautakauteen asti Oulujoen ja Oulujärven alueen asukkaat olivat pääasiassa nykysaamelaisten esi-isiä. Etelä-Suomesta tuli suomalaisia pohjoiseen pronssikaudelta lähtien pyynti-, kauppa- ja verotusretkille. Oulujoki oli luonnollinen kulkureitti, ja sitä kautta Tornion- ja Kemijokilaaksoon tuli jo 1000-luvulla hämäläisiä uudisasukkaita. Oulujokilaakson pysyvän, nykyaikaan asti jatkuneen asutuksen syntymisestä ei toistaiseksi ole varmaa tietoa, mutta pyyntikulttuurin kautta Oulun seutu oli kuitenkin yhteydessä itään, etelään ja länteen jo ensimmäisellä vuosituhannella. Vesireitit Perämereltä kaikkiin ilmansuuntiin tekivät yhdessä luonnonrikkauksien kanssa alueen houkuttelevaksi myös kaikille nykyisen Suomen alueen lähellä sijainneille jo perustetuille valtakunnille.