Genomsekvensen från ett lårben som hittades i Sibirien visar den första episoden av blandning inträffade mellan 50.000 och 60.000 år sedan.
Den manliga jägaren är en av de tidigaste moderna människor som upptäckts i Eurasien.
Studien i Nature Journal stöder också upptäckten att vår art dök upp från Afrika för omkring 60 000 år sedan, innan den spred sig runt om i världen.
Analysen lyfter fram möjligheten att den mänskliga linjen först dök upp miljontals år tidigare än de nuvarande uppskattningarna.
Arbetet av Prof Svante Paabo, från Max Planck Institute i Leipzig, Tyskland, skriver om historien om mänskligheten. Prof Paabo och hans kollegor har banat väg för metoder att utvinna DNA från forntida mänskliga kvarlevor och läsa dess genetiska kod.
Från denna sekvens har forskaren kunnat dechiffrera en allt mer detaljerad historia om moderna människor när de spred sig över hela världen.
"Det fantastiska är att vi har ett bra genom av en 45 000-årig person som var nära förfadern till alla nuvarande människor utanför Afrika," Han berättade BBC News.
Prof Paabo har analyserat DNA från en del av ett ben från en man som bodde i västra Sibirien för omkring 45.000 år sedan. Detta är ett viktigt ögonblick vid världens tvärvägar, då de moderna människorna var på väg mot en utvidgning till Europa och Asien.
Nyckeln var att mannen hade stora, ohämmade DNA-bitar från en nu utdöd art av människor, neandertalare, som utvecklades utanför Afrika.
– Vår analys visar att moderna människor redan då hade förökat sig med neandertalare, och vi kan avgöra när det först hände mycket exaktare än vi kunde tidigare.
Prof Paabo och hans team publicerade forskning 2010 som visade att alla icke-afrikanska människor idag har neandertal DNA. Men detta genetiska material har brutits sönder i mycket mindre bitar under generationerna.
Genom att extrapolera storleken på DNA-bitar baklänges, kunde Prof Paabo och hans kollegor räkna när den första interbreeding med Neanderthals inträffade. Hans studie visar att det var mellan 50.000 och 60.000 år sedan.
Enligt professor Chris Stringer vid Natural History Museum i London kan denna tidiga interbreeding tyda på när förfäderna till människor som bor utanför Afrika i dag tog sina första steg ut ur den kontinent där vår art utvecklades för mer än 150 000 år sedan.
Prof Stringer var en av dem som trodde att de moderna människornas första utträde ur Afrika som gav upphov till människor utanför Afrika i dag kunde ha inträffat tidigare, kanske för 100.000 år sedan. Bevisen från professor Paabos forskning övertygar honom om att det nu var mycket senare.
"Det finns en dispyt om när denna 'Out of Africa' händelse hände och denna fossil hjälper till att titta på det. Det är nära den tid jag tror att moderna människor lämnade Afrika och gav upphov till befolkningen i resten av världen. Jag tror att utgången hände för 60 000 år sedan," berättade han för BBC News.
Den nya berättelsen tycks passa in i en ny, mer exakt datering av de moderna människornas ankomst till Europa av professor Thomas Higham vid Oxforduniversitetet. Forskning som publicerades i augusti visade att detta hände för 45.000 år sedan.
Prof Paabos 45 000-årige man verkar ha levt vid en tidpunkt som både geografiskt och med tiden var ett vägskäl för mänskligheten.
"Detta verkar markera en vattendelare där moderna människor pressade gränserna ytterligare och längre i sin spridning ut ur Afrika", enligt Prof Stringer.
Professor Paabo jämförde också DNA hos mannen som levde för 45.000 år sedan med dem som lever i dag. Han fann att människan var genetiskt halvvägs mellan européer och asiater - vilket tyder på att han levde nära tiden innan vår art delades upp i olika rasgrupper.
Prof Paabo kunde också uppskatta i vilken takt mänskligt DNA har förändrats eller muterats under årtusendena. Han fann att den var långsammare än den hastighet som antyds av fossila bevis och liknande den som har observerats i familjer.
"Vi har fångat evolutionen på egen hand!" sa han glatt.
Detta ger upphov till möjligheten att den allra första arten av den mänskliga linjen skild från apor för 10 eller 11 miljoner år sedan - snarare än de fem eller sex miljoner år sedan som genetiska bevis tidigare hade föreslagit.
Men han betonade i sin forskningsrapport att det behövdes mycket mer analys innan den mänskliga linjen uppstod igen.
"Vi varnar att (mutation) hastigheter kan ha förändrats med tiden och kan skilja sig mellan människor befolkningar", sade han.
Följ Pallab på Twitter
DNA-analys av en 45 000-årig människa har hjälpt forskare att identifiera när våra förfäder är sammanfödda med neandertalare.