C’est à partir du 8e millénaire avant notre ère que l’occupation du site gagne en intensité. Ce sont toujours des groupes de chasseurs-collecteurs qui fréquentent la région, mais dans un environnement qui a très nettement évolué dans la continuité du réchauffement climatique holocène puisqu’à cette période, vers -7 500 ans, au Mésolithique, arrive le taxon emblématique de la forêt caducifoliée : le chêne. À Roquemissou, il est accompagné des premiers érables et, toujours, des rosacées arbustives. Le pin sylvestre disparaît pour ne perdurer qu’en moyenne et plus haute montagne. Le climat est maintenant tempéré, la végétation de type collinéen.
Les niveaux mésolithiques de Roquemissou contiennent aussi d’abondants fragments de coques de noisettes. Ces fruits communément retrouvés dans les habitats des derniers chasseurs-cueilleurs européens devaient constituer un aliment récurrent, peut-être stocké pour être consommé longtemps après la récolte. Le grillage de ces fruits ou le rejet des coquilles dans les foyers après consommation ont favorisé leur conservation.
D’autres fruits, prunelles, glands, baies de sureau, ont également été consommés à Roquemissou. La présence conjointe des fruits et de fragments de bois carbonisés montre qu’ils étaient collectés localement. L’abondance des restes de noisettes et la présence systématique de bois carbonisés de noisetier dans la première partie du Mésolithique font écho au fort développement de cette espèce à cette période attesté par l’étude des pollens.
Le bois utilisé comme combustible possède différentes propriétés. Le pin, majoritairement utilisé au Paléolithique, se ramasse facilement sec et brûle en produisant une flamme haute. Le chêne, préféré aux périodes postérieures, brûle plus longtemps, avec des variations en fonction de l’état du bois, de son calibre ou encore de son taux d’humidité. Étonnamment, il semblerait que pour alimenter les foyers d’une grande fosse, les occupants mésolithiques aient choisi du chêne pourri, pourtant beaucoup plus difficile à trouver que le bois vert ou sec. Peut-être ce choix reflète-t-il une fonctionnalité spécifique ? Aujourd’hui encore, de nombreux peuples autochtones de Sibérie et d’Amérique du Nord utilisent le bois pourri et d’autres combustibles produisant de la fumée dans le cadre d’activités rituelles (purification) ou techniques (traitement des peaux).
Les occupations de la zone protégée par le surplomb se répètent régulièrement pendant près de deux millénaires, entre 7 500 et 5 500 ans avant notre ère.
Bien qu’encore nomades ou semi-nomades, l’importance des aménagements réalisés par ces communautés témoigne sans doute d’occupations relativement longues ou fréquentes, dans de probables huttes de branches ou de peaux, mais que la fouille n’a pu mettre en évidence pour le moment.