Человек начал заселять берега Тихой Сосны издавна. Самые древние поселения относятся к эпохе мустье (120-100 тыс. – 40 тыс. лет назад). Об этом свидетельствуют находки культуры среднего палеолита в районе села Шубное Острогожского района.
Позже, во времена верхнего палеолита (40 тыс. – 12 тыс. лет до н. э.), вдоль Тихой Сосны также располагалось несколько поселений. Например, на стоянках Дивногорье 1 и Дивногорье 9 обнаружены кремнёвые орудия труда и следы охотничьей деятельности древнего человека.
Берега Тихой Сосны были обитаемы в последующую эпоху мезолита (IX-VII тыс. до н.э.).
В дальнейшем этот район осваивали племена времён неолита (VI-IV тыс. лет до н.э.). Например, на территории музея-заповедника «Дивногорье» расположены неолитические памятники Копанище I и Копанище II, а также стоянки энеолита – медно-каменного века. В это время на берегах реки люди занимались охотой и собирательством.
К эпохе бронзы (III-II тыс. до н.э.), в бассейне Тихой Сосны, относится более сотни археологических памятников, в том числе курганы и курганные могильники, расположенные на водоразделах.
В эпоху раннего железного века (I тыс. до н.э. –середина I тыс. н.э.) здесь располагались кочевья, а также ряд городищ (Шубное, Волошинские), ираноязычных народов – скифов и сармат. На памятниках выявлены фрагменты причерноморских амфор, что говорит об активных торговых контактах.