根据相关学者考证，三皇五帝原本并非连称，最早于西汉时期出现了三皇五帝的连称，三皇这一说法最早出现于《史记秦始皇本纪》，而五帝说则产生于战国时期，而最早将五帝说系统化的也是见于司马迁《史记五帝本纪》。
由于秦火和项羽火烧咸阳，先秦时期的典籍大多佚失，这导致了后世在追溯上古史时缺乏有效的材料。但是有关三皇五帝的一些记载，还是依然零散地保存在一些后世辑录的先秦文献典籍中。因为可靠的文献材料很少，而后世的经传注释繁多，加之先秦时期由于交通不便造成的各地在语言文字和生活习惯上明显的地域差异，导致了中国的上古史系统十分混乱，三皇五帝究竟指的是哪些人？后世也众说纷纭。
目前来说，三皇五帝究竟指的是什么？还没有一个确定的说法。有学者做了不完全统计，关于三皇说法流传较为广泛的有五种：
《白虎通》：伏羲、神农、祝融
《春秋纬运斗枢》：伏羲、女娲、神农
《通鉴外纪》：伏羲、神农、共工
《帝王世纪》：伏羲、神农、黄帝
《礼纬含文嘉》：燧人、伏羲、神农
（还有一种天皇、地皇、人（泰）皇三皇说，但由于其概念太过广泛，实际意义不大）
关于五帝则有六种说法：
《世本》《史记五帝本纪》《大戴礼》：黄帝、颛顼、帝喾、尧、舜
《礼记》《吕氏春秋》《淮南子》：太昊、炎帝、黄帝、少昊、颛顼
《左传》：太昊、炎帝、黄帝、少昊、共工
《皇王大纪》：伏羲、神农、黄帝、尧、舜
《道藏》：黄帝、少昊、帝喾、帝挚、帝尧
此外，还有我们不排除在浩如烟海的文献典籍中还有其它的说法，因此，三皇和五帝究竟指的是谁，我们没法给下一个定论，它仍然是众说纷纭。不过，我们仍然能从这些众说纷纭的说法中找到蛛丝马迹。首先三皇都是排在五帝之前的，无论三皇有多少种说法，其名称都有鲜明的的单一指向性意味，伏羲创设八卦文字，燧人教人钻木取火，神农教人播种耕作，共工教人水利技术，祝融教人生火煮饭，这是一个文明诞生之前的各种草创工作，而后世的炎黄二帝、颛顼、帝喾以及尧、舜很显然没有这种单一的指向性，反而愈发成熟的社会规范逐渐多了起来。
因此我们有理由相信在中华文明的进程上三皇时代是中华文明诞生之前的草创时代，亦是先于五帝时代。此外在三皇系统里，伏羲基本上都有其名，因此我们可以确定伏羲为三皇之一。
在传说神话中，伏羲创设八卦，教人织网、捕鱼、打猎，变革社会习俗，发明乐器，是中华文明的人文始祖。而根据考古学和人类学的研究表明，中国远古社会是从渔猎时代发展到农业时代，在农业时代人类开始定居，文明也就逐渐发展产生。因此教人播种耕作的神农氏亦应该是三皇之一。从蛮荒时代过渡到文明时代，还有一个很重要的前提就是火的诞生，火可以使人们把食物烧熟，可以驱赶野兽，可以照亮黑暗，
有关五帝的说法虽然说法不一，但目前来说学界的主流观点仍是司马迁的五帝说，即黄帝、颛顼、帝喾、尧、舜。
在第七版《现代汉语词典》中，三皇五帝这一词主要指的是伏羲、燧人、神农；黄帝、颛顼、帝喾、尧、舜。在词典后的中国历史年表中也认可了司马迁的五帝说。
除此之外，还有一个很重要的问题——三皇五帝究竟指的是人，还是一个时代？根据中华文明探源工程的阶段性研究成果显示，炎黄所处的时代应该是距今5000年到7000年到仰韶文化，但根据夏商周断代工程的成果显示，夏禹建立夏朝应该在公元前2070年左右，距今4000余年，很明显在长达一两千年的跨度下，不可能只有五帝，由此推彼，我们有理由相信三皇五帝并不是简单的指人，更像是一个时代、一个名称或者一个称号的延续。
值得一提的是，在众多的神话传说中还有一个非常耐人寻味的地方，即许多有关三皇五帝的记载出现了时间上的人物重合，例如共工曾经出现在伏羲时代，而在黄帝、颛顼、帝喾甚至尧舜时代都还出现过，因此上古时代众多的人物名称更可能是一个部落称号或首领名称，甚至三皇五帝并不是仅仅时间上的线性排列，而兼有空间上的并列共存，哪个部族部落最为强盛，便是哪个部落的时代。