Kivikausi
Kivikauden lisäksi myös kuparikaudella oli metallin käyttö niin harvinaista, että tämä jakso yleensä luetaan kivikauden osaksi. Kivisiä työkaluja käytettiin pronssikaudellakin vielä pitkään. Kivikauden kulttuuri saattoi varsinkin lähempänä nykyaikaa vaihdella huomattavasti eri seuduilla.
Uruk-kausi
Noin 3500–3400 eaa. alkoi myöhäinen Uruk-kausi, jota vastaavat Urukin kerrostumat IV–VI. Toisen laskutavan mukaan myöhäinen Uruk-kausi alkoi jo kerrostumasta VIII, mutta suurin edistys tapahtui kerrostumissa V ja IV. Pronssi keksittiin kauden alussa, ja niinpä tämä kausi on sama kuin varhaispronssikausi I. Uruk oli ajan suurin keskus Kaksoisvirtainmassa. Tässä vaiheessa Sumerin kulttuurin peruspiirteet olivat jo muotoutuneet.