Черепа синантропов — удлиненные, очень низкие (хотя и выше, чем у ланьтяньца), большей частью узколобые; черепные кости отличаются большой толщиной. Лоб, однако, не такой покатый, как у питекантропов. Характерными чертами являются значительное развитие надглазничного валика, наличие прогнатизма, большая ширина лица по сравнению с высотой, тенденция к широконосости. Жевательный аппарат отличался большей мощностью, чем у современного человека, хотя и был развит слабее по сравнению с питекантропами. Зубы архантропов из Чжоукоудяня сохраняли многие архаические особенности, хотя и в меньшей мере, чем зубы в нижней челюсти из Ланьтяня. Коронки моляров у синантропов очень массивные — длинные и широкие, но в то же время низкие; на коренных и предкоренных резко выражен своеобразный рисунок, известный в специальной литературе под названием «узор дриопитека». Диастемы, однако, отсутствовали. Заметно различие в величине и массивности между мужскими и женскими зубами. Различия эти указывают на выраженный половой диморфизм.
Вместимость мозгового черепа синантропов колебалась от 850 до 1225 куб. см, составляя в среднем 1075 куб. см; она, следовательно, гораздо больше, чем у питекантропов, в среднем 867 куб. см, и у ланьтяньца (780 куб. см), но меньше, чем у современных людей (около 1400 куб. см). Однако отдельные мужские особи «пекинских людей» обладали величиной мозга, встречающейся иногда и у Homo sapiens. Форма мозговой полости синантропов сохраняла немало примитивных особенностей. Так, ее высота в процентах длины равнялась в среднем только 64,6 (у современного человека — 78,7). Передний отдел лобных долей сильно сужен, теменная область уплощена, височные доли узки. Все это показывает, что психическая деятельность синантропов хотя и была, несомненно, весьма сложной, но не достигла еще высокого уровня мышления людей современного вида. По мнению В. В. Бунака, для синантропов (как и для всех архантропов) в области мышления были характерны наряду с разнообразными представлениями и начальные понятия, а в области речи — выкрики-призывы, находившие выражение в определенных, но еще недостаточно дифференцированных артикуляциях [Бунак, 203–290] (рис. 1).
В научной литературе вопрос о морфологическом и генетическом соотношении синантропов с другими древнейшими гоминидами освещался по-разному. В то время как Ф. Вайденрайх считал питекантропов, синантропов и даже гейдельбержцев Западной Европы более или менее синхронными формами и различия между ними рассматривал как региональные, по масштабу соответствовавшие расовым различиям современного человечества [Weidenreich, 1943, 1—298], большинство советских и китайских антропологов видели в «пекинских людях» по сравнению с яванскими «обезьяно-людьми» более высоко организованные формы гоминид. Действительно, синантропы с их большим, чем у питекантропов, объемом мозговой коробки, менее плоским лбом и некоторыми другими относительно прогрессивными чертами заметно отличаются от питекантропов в сторону приближения к людям современного вида и занимают, по-видимому, одну из высших ступеней в эволюции архантропов: их можно рассматривать как форму, переходную от архантропов к палеоантропам [Woo Ju-kang, 1956, 389–397]. После находок в Ланьтяне стало вероятным, что на протяжении среднего плейстоцена происходило непрерывное прогрессивное развитие древнейших гоминид Северного Китая, которые за 200–300 тыс. лет прошли путь от архаических форм, близких к питекантропам, до кануна перехода к палеоантропам.
Что касается региональных различий среди архантропов, то их существование надо признать вполне вероятным, особенно если принять во внимание огромную территорию расселения древнейших гоминид этой эволюционной стадии, простиравшуюся от Северной Африки (атлантропы) и Германии (гейдельбержцы) на западе до Явы (питекантропы) и современного Китая (синантропы) на востоке. Как известно, Ф. Вайденрайх связывал разные локальные формы древнейших гоминид с определенными современными расами, рассматривая, в частности, питекантропов как исходный тип развития австралоидов, а синантропов — как предков монголоидов. Для доказательства специфического родства «пекинских людей» с позднейшими монголоидными расами Ф. Вайденрайх указывал на некоторые морфологические признаки, свойственные тем и другим, например на уплощенность лицевого скелета в горизонтальном сечении, крупные широтные и высотные размеры лица, ореховидные вздутия на внутренней стороне альвеолярного отдела нижней челюсти, лопатообразную форму передних резцов и другие детали строения зубной системы.