Kekayaan budaya dan fisik masyarakat Papua tidak lepas dari sejarah migrasi panjang yang dimulai sejak zaman es. Berdasarkan kajian paleo-antropologi, pada masa Pleistosen sekitar 800.000 tahun lalu, ketika Pulau Papua masih menyatu dengan Benua Australia, wilayah ini dihuni oleh manusia Paleo-Melanesoid. Ketika permukaan laut naik dan memisahkan kedua daratan, kelompok ini berevolusi menjadi ras Melanesoid di Papua dan Melanesia, serta Australoid di Australia. Jejak fisik nenek moyang Paleo-Melanesoid ini bahkan dapat dilacak hingga pada tengkorak Homo Wajakensis di Jawa Timur.
Secara lebih spesifik, manusia Australomelanesid tercatat sebagai penghuni pertama Pulau New Guinea yang tiba di Teluk Huon, Papua Nugini, sekitar 50.000 tahun lalu. Merekalah leluhur langsung orang Papua, Papua Nugini, dan masyarakat Melanesia modern. Kelompok pemburu dan pengumpul makanan ini membawa pengetahuan penting berupa pembuatan api. Kehadiran mereka berdampak besar pada ekosistem lokal, di mana perburuan intensif memicu kepunahan berbagai mamalia marsupial berbadan besar. Setelah megafauna punah, mereka beralih berburu hewan yang lebih kecil seperti kuskus dan kanguru pohon.
Ribuan tahun kemudian, kelompok Australomelanesid mulai mengembangkan peradaban yang lebih kompleks. Mereka bergerak ke dataran tinggi, seperti di Situs Kuk, Papua Nugini, di mana mereka mulai membudidayakan keladi sekitar 8.000 tahun lalu. Migrasi ke barat berlanjut hingga ke Lembah Baliem di Papua, tempat pertanian buah merah dikembangkan sekitar 7.000 tahun lalu. Masyarakat dataran tinggi ini hidup terisolasi dari pendatang baru, sehingga budaya mereka tidak mengenal penggunaan wadah tanah liat untuk memasak.
Peta budaya Papua berubah signifikan sekitar 3.000 tahun lalu dengan kedatangan manusia Austronesia di wilayah pesisir dan pulau-pulau kecil. Interaksi antara penduduk asli Australomelanesid dan pendatang Austronesia terlihat jelas di kawasan Danau Sentani. Meskipun bahasa Sentani termasuk rumpun non-Austronesia, masyarakatnya mengadopsi berbagai elemen budaya Austronesia. Pengaruh ini dibuktikan dengan temuan artefak gerabah, gelang dan manik-manik kaca, perunggu, serta tradisi tato dan mengunyah sirih pinang. Mereka juga mulai memelihara hewan seperti babi, anjing, dan ayam, serta menerapkan sistem kepemimpinan hierarkis.
Hubungan perdagangan dan budaya yang erat juga terjalin antara masyarakat Sentani dengan kelompok pesisir di Papua Nugini, seperti di Vanimo dan Sepik Timur. Hal ini diperkuat oleh temuan cangkang moluska laut di situs purbakala Sentani yang digunakan sebagai bahan kapur sirih. Dengan demikian, nenek moyang orang Papua bukanlah kelompok yang terisolasi, melainkan masyarakat dinamis yang terbentuk dari perpaduan mendalam antara akar Australomelanesid purba dan interaksi budaya Austronesia yang kaya.