头骨较粗硕，头很长，额部倾斜，上面部低矮，眼眶较低，梨孔状宽阔。脑量已经达到1300-1500毫升，体胳特征和现代人极为相似。山顶洞人是旧石器时代晚期人类，是晚期智人的主要代表。这时，猿人的各方面特征已基本接近于现代人。

关于山顶洞人的种族，德国体质人类学家魏敦瑞曾认为老年男性头骨的测量指数很像西欧的化石智人。如克罗马农人，但根据形态观察，又可确定是原始的蒙古人种。女性头骨之一属于美拉尼西亚人类型，另一具则属于爱斯基摩人类型。甚至认为这些不同种族的成员组成了一个家庭。

中国古人类学者的研究认为，老年男性头骨几乎所有的面骨测量指数都和现代的或化石的蒙古人种相近，而远于西欧的化石智人。从形态方面观察，头骨的许多特征。如鼻骨较窄，有鼻前窝，颧骨突出并且较直，以及有下颌圆枕等，都属于蒙古人种的特征。

山顶洞人代表原始蒙古人种，但个体之间尚有一些差别，表明当时蒙古人种正在形成之中，一些形态细节尚未充分形成。但有的学者认为，种族形成的时代比山顶洞人要早得多。