[1] Zilhão se hizo internacionalmente conocido como estudioso de los neandertales.
Junto con otros jóvenes que pertenecían a una escuela de espeleología, Zilhão exploró varias cuevas, con catorce años, en los alrededores de Lisboa.
En 1996, se trasladó al Parque Arqueológico do vale do Coa como director fundador, después de haber trabajado duro por el hecho de que el valle del Coa no fuese inundado por la construcción de una represa y así evitar que los petroglifos paleolíticos fueran destruidos.
[7] En los años siguientes, Zilhão abordó los argumentos del antropólogo estadounidense Erik Trinkaus, quien interpreta numerosos fósiles de homininos de Europa como sospechosos de híbridos entre neandertales y humanos anatómicamente modernos, como hallazgos óseos de las cuevas kársticas rumanas Peștera cu Oase y Peştera Muierii.
Aunque la reconstrucción del ADN neandertal proporcionó evidencia de un flujo genético del ADN neandertal en la población de humanos anatómicamente modernos, sin embargo, este flujo génico es, de acuerdo con otras publicaciones, en un momento en el que en Europa no vivían humanos anatómicamente modernos.