Tidsperioden mellan omkring 3800-1800 f Kr kallas neolitikum (bondestenåldern). I Värmland är tidsperioden främst synlig genom en rad lösfynd av redskap där olika sorters yxor är vanliga. Dessa finns både i flinta och i en rad andra bergarter. Vanligast är de så kallade skafthålsyxorna där över 1000 har påträffats i Värmland.
I början av neolitikum kulminerade den pågående värmeperioden. Då var jordens medeltemperatur 2-3 grader varmare än idag.
Från neolitikum har vi än så länge väldigt få undersökta boplatser. En sådan boplats är den vid Mellerudstorp som delundersöktes 1972. Vid undersökningen påträffades bland annat tre härdar medan det magra fyndmaterialet bestod av en pilspets, en skrapa, lite keramik och enstaka avslag. Boplatsens datering är något oklar men fyndmaterialet har en karaktär som indikerar en datering till senneolitikum.
En annan undersökt boplats är den på den lilla ön Hästholmen i sjön Foxen/Stora Le. På boplatsen påträffade man, förutom avslag och föremål av flinta, bland annat dekorerad keramik och brända djurben från bäver, älg och fisk. Benen från älg har kunnat dateras till omkring 3500-3000 f Kr. Den påträffade keramiken visar sig komma från minst nio olika kärl från den så kallade Trattbägarkulturen. Fynd av sådan keramik är ovanlig i Värmland och är bara känd från ytterligare en plats i länet, från Bryngelsbyn i Töcksmark nära gränsen mot Norge.
Rester av en neolitisk boplats påträffades också på platsen för Karlstads flygplats när arkeologiska undersökningar utfördes där 1994-1995. Bland fynden fanns keramik, en pilspets och två yxor, den ena en så kallad tunnackig yxa av bergart.
Från slutet av stenåldern, eller möjligen bronsålderns början, finns ännu en undersökt boplats. Denna fanns vid Backegården strax norr om Årjäng och undersöktes 1997. På boplatsen påträffades bland annat lämningarna efter ett så kallat tvåskeppigt hus, en hustyp som förekom fram till en bit in i bronsåldern. Det aktuella husets storlek kunde aldrig fastställas exakt, men husets längd har åtminstone uppgått till 13 meter. Förutom huslämningen är det keramikfynden på platsen som daterar boplatsen till den aktuella tidsperioden. Samtidigt visar 14C-analyser att boplatsen även beboddes under yngre bronsåldern och äldre järnåldern.
Det senaste tillskottet i vår kunskap om neolitikum utgörs av en tidigneolitisk boplats i utkanten av Sunnemo. Där utfördes en mindre arkeologisk undersökning 2008 som bland annat innebar att en härd kunde dateras till mellan 3500 och 3100 f Kr.
Trots att tidsperioden kallas neolitikum har vi ännu så länge liten kunskap om vad man odlade och när man började odla i Värmland. Från trakterna kring Lennartsfors i Årjängs kommun har vi via pollendiagram de äldsta beläggen för människans påverkan på sin omgivning. Från tiden mellan 3000-2700 f Kr har vi de äldsta tecknen på kulturpåverkan men spåren är svaga. En mer drastisk ökning skedde mellan 2400-1600 f Kr, det vill säga i slutet av mellanneolitikum och genom hela senneolitikum.
Även om man började odla jorden under neolitikum finns många tecken som tyder på att man inte bara livnärt sig på detta sätt. I alla fall gäller detta delar av Värmland. Från strandboplatser i skogsmarker ibland annat Glaskogen, Långserud och från Gåsborn, finns fynd som kan dateras till senneolitikum. Dessa fynd visar att man åtminstone delvis fortsatt att leva på samma sätt som under mesolitikum, eller utnyttjat samma typ av boplatser. Fynden består bland annat av skafthålsyxor och pilspetsar med urnupen bas.
Från den senare delen av stenåldern, senneolitikum, finns de äldsta gravarna vi känner till i Värmland. Dessa kallas hällkistor och består av kistor byggda av stenhällar.
Hällkistorna finns bara i den sydvästra delen av Värmland, i Arvika, Grums, Säffle och Årjängs kommuner. En hällkista finns dessutom på Alsternäset strax öster om Karlstad. Som gravform brukar man betrakta hällkistorna som kollektiva, det vill säga att fler än en har begravts i samma grav. De få undersökningar som utförts i Värmland tycks bekräfta detta.
