根據相關學者考證，三皇五帝原本並非連稱，最早於西漢時期出現了三皇五帝的連稱，三皇這一說法最早出現於《史記秦始皇本紀》，而五帝說則產生於戰國時期，而最早將五帝說系統化的也是見於司馬遷《史記五帝本紀》。
由於秦火和項羽火燒咸陽，先秦時期的典籍大多佚失，這導致了後世在追溯上古史時缺乏有效的材料。但是有關三皇五帝的一些記載，還是依然零散地保存在一些後世輯錄的先秦文獻典籍中。因為可靠的文獻材料很少，而後世的經傳註釋繁多，加之先秦時期由於交通不便造成的各地在語言文字和生活習慣上明顯的地域差異，導致了中國的上古史系統十分混亂，三皇五帝究竟指的是哪些人？後世也眾說紛紜。
目前來說，三皇五帝究竟指的是什麼？還沒有一個確定的說法。有學者做了不完全統計，關於三皇說法流傳較為廣泛的有五種：
《白虎通》：伏羲、神農、祝融
《春秋緯運鬥樞》：伏羲、女媧、神農
《通鑑外紀》：伏羲、神農、共工
《帝王世紀》：伏羲、神農、黃帝
《禮緯含文嘉》：燧人、伏羲、神農
（還有一種天皇、地皇、人（泰）皇三皇說，但由於其概念太過廣泛，實際意義不大）
關於五帝則有六種說法：
《世本》《史記五帝本紀》《大戴禮》：黃帝、顓頊、帝嚳、堯、舜
《禮記》《呂氏春秋》《淮南子》：太昊、炎帝、黃帝、少昊、顓頊
《左傳》：太昊、炎帝、黃帝、少昊、共工
《帝王世紀》《尚書序》：少昊、顓頊、高辛、堯、舜
《皇王大紀》：伏羲、神農、黃帝、堯、舜
《道藏》：黃帝、少昊、帝嚳、帝摯、帝堯
此外，還有我們不排除在浩如煙海的文獻典籍中還有其它的說法，因此，三皇和五帝究竟指的是誰，我們沒法給下一個定論，它仍然是眾說紛紜。不過，我們仍然能從這些眾說紛紜的說法中找到蛛絲馬跡。首先三皇都是排在五帝之前的，無論三皇有多少種說法，其名稱都有鮮明的的單一指向性意味，伏羲創設八卦文字，燧人教人鑽木取火，神農教人播種耕作，共工教人水利技術，祝融教人生火煮飯，這是一個文明誕生之前的各種草創工作，而後世的炎黃二帝、顓頊、帝嚳以及堯、舜很顯然沒有這種單一的指向性，反而愈發成熟的社會規範逐漸多了起來。
因此我們有理由相信在中華文明的進程上三皇時代是中華文明誕生之前的草創時代，亦是先於五帝時代。此外在三皇系統裡，伏羲基本上都有其名，因此我們可以確定伏羲為三皇之一。
在傳說神話中，伏羲創設八卦，教人織網、捕魚、打獵，變革社會習俗，發明樂器，是中華文明的人文始祖。而根據考古學和人類學的研究表明，中國遠古社會是從漁獵時代發展到農業時代，在農業時代人類開始定居，文明也就逐漸發展產生。因此教人播種耕作的神農氏亦應該是三皇之一。從蠻荒時代過渡到文明時代，還有一個很重要的前提就是火的誕生，火可以使人們把食物燒熟，可以驅趕野獸，可以照亮黑暗，因此，燧人氏或祝融氏也應該是三皇之一。
有關五帝的說法雖然說法不一，但目前來說學界的主流觀點仍是司馬遷的五帝說，即黃帝、顓頊、帝嚳、堯、舜。
在第七版《現代漢語詞典》中，三皇五帝這一詞主要指的是伏羲、燧人、神農；黃帝、顓頊、帝嚳、堯、舜。在詞典後的中國歷史年表中也認可了司馬遷的五帝說。
除此之外，還有一個很重要的問題——三皇五帝究竟指的是人，還是一個時代？根據中華文明探源工程的階段性研究成果顯示，炎黃所處的時代應該是距今5000年到7000年到仰韶文化，但根據夏商周斷代工程的成果顯示，夏禹建立夏朝應該在公元前2070年左右，距今4000餘年，很明顯在長達一兩千年的跨度下，不可能只有五帝，由此推彼，我們有理由相信三皇五帝並不是簡單的指人，更像是一個時代、一個名稱或者一個稱號的延續。
值得一提的是，在眾多的神話傳說中還有一個非常耐人尋味的地方，即許多有關三皇五帝的記載出現了時間上的人物重合，例如共工曾經出現在伏羲時代，而在黃帝、顓頊、帝嚳甚至堯舜時代都還出現過，因此上古時代眾多的人物名稱更可能是一個部落稱號或首領名稱，甚至三皇五帝並不是僅僅時間上的線性排列，而兼有空間上的並列共存，哪個部族部落最為強盛，便是哪個部落的時代。
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