Människor tros ha anlänt till den nya världen för inte mer än 25.000 år sedan, så fyndet skulle skjuta tillbaka de första bevisen på bosättning med mer än 100.000 år.
Slutsatserna bygger på analys av djurben och verktyg från Kalifornien.
Men många experter kontaktades av BBC sade att de tvivlade på påståendena.
Thomas Deméré, Steven Holen och kollegor undersökte material från Cerutti Mastodon-området nära San Diego. Platsen upptäcktes ursprungligen 1992, under vägbygget. Möjliga stenverktyg upptäcktes vid sidan av de krossade resterna av en mastodon (mammut americanum) - en utdöd släkting till mammutar och levande elefanter.
Forskarna bakom den senaste studien kunde inte utföra radiokoldatering på kvarlevorna, så de använde en teknik som kallas urantorium daterar på flera benfragment, kommer upp med ett datum på 130.000 år.
Teammedlemmarna fann att några av benen och tänderna hade ett karakteristiskt brottmönster som kallas spiralspräckning, som anses inträffa när benet är färskt. Dessutom visade några av benen typiska tecken på att krossas med hårda föremål.
Stenar som hittats vid sidan av mastodonresterna visar tecken på slitage och slag mot andra ytor, säger forskarna. De drar slutsatsen att dessa representerar hammarstenar och städ - två typer av stenverktyg som används av förhistoriska kulturer runt om i världen.
Dr Deméré, curator för paleontologi på San Diego Natural History Museum, sade helheten av bevis på platsen hade lett teammedlemmar till slutsatsen att "människor var bearbetning [arbeta på eller bryta upp] mastodon lemmar ben med hjälp av hammarstenar och städ och att bearbetningen skedde på platsen för begravning 130.000 år sedan".
Doktor Steve Holen, som är medregissör för Center for American Paleolithic Research i South Dakota, säger: " Vi har utfört två experiment med att bryta elefantben med stora stenhammare och städ. Vi producerade exakt samma typ av frakturmönster som vi hittade på Cerutti mastodonbenen."
Han tillade: " Vi kan eliminera alla naturliga processer som bryter ben på det här sättet. Dessa ben bröts inte av köttätare som tuggade, eller av andra djur som trampade på detta ben... fördelningsmönstren för de brutna bitarna av ben precis runt städen är ganska avgörande bevis eftersom vi ser det experimentellt också. "
Det är inte helt klart varför tidiga människor bearbetade dessa mastodontrester.
"Vi har inga bevis för att detta är en dödande eller slaktande plats, men vad vi har bevis för är att människor var här bryta upp lemmarna ben av denna mastodon, ta bort några av de stora tjocka bitar - förmodligen att göra verktyg av - och de kan också ha extraherat märgen för mat," sade Dr Holen.
Men om lagets slutsatser är korrekta, kan folk ha nått Amerika från Asien via en landbro över Berings sund. Denna bro uppstod då och då under kalla perioder - när havsvattnet låstes upp som is - och försvann när klimatet värmdes igen och havsnivåerna steg.
De tidigaste allmänt accepterade bevisen för människor i Amerika daterar sig till ungefär 15.000 år sedan. Detta är ett område där en våldsam debatt har rasat över att man med ett eller två tusen år, för att inte tala om 100.000, har rullat tillbaka den mänskliga ockupationens tidsåldrar.
Dr Deméré och kollegor är inte de första vetenskapsmännen som har kommit långt tidigare datum för folk som bosatte sig i Amerika. Det som utmärker det senaste arbetet är att det har publicerats i en av de mest prestigefyllda kollegiala vetenskapliga tidskrifterna i världen - Nature.
Andra experter är dock fortfarande inte övertygade om de nya bevisen. Professor Michael R Waters, från Texas A&M University i College Station, beskrev den nya uppsatsen som "provocativ".
Han berättade för BBC News att studien "ska ge bevis på mänsklig ockupation av Amerika omkring 115.000 år innan de tidigaste väletablerade bevisen".
Prof Waters förklarade: "Jag har inga problem med den geologiska informationen - även om jag skulle vilja veta mer om det bredare geologiska sammanhanget - och den troliga åldern på orten.  Jag är dock skeptisk till de bevis som lagts fram för att människor interagerade med mastodonen på Cerutti Mastodons webbplats."
"För att demonstrera en sådan tidig ockupation av Amerika krävs närvaro av entydiga stenartefakter. Det finns inga entydiga stenverktyg i samband med benen... denna plats är förmodligen bara en intressant paleontologisk plats."
Prof Tom Dillehay, från Vanderbilt University i Nashville i Tennessee, berättade för BBC News att påståendet inte var rimligt.
En annan expert på tidig amerikansk arkeologi, professor David Meltzer från Southern Methodist University i Dallas i Texas, sade: " Naturen är busig och kan bryta ben och modifiera stenar på en myriad av olika sätt.
"Med bevis som i sig är lika tvetydiga som de brutna ben och icke-deskriptiva brutna stenar som beskrivs i papperet, räcker det inte att visa att de kunde ha brutits/modifierats av människor; man måste visa att de inte kunde ha brutits av naturen.
"Detta är ett problem med jämvikt: flera processer kan orsaka samma produkt."
Chris Stringer, från Londons Natural History Museum, sade att "om resultaten står upp för ytterligare granskning, detta verkligen förändrar allt vi trodde att vi visste om den tidigaste mänskliga ockupationen av Amerika", tillägger: "Om sant, resultaten kan mycket väl betyda att arkaiska människor som Denisovans eller Neandertals var de första kolonisatörerna i Amerika, snarare än moderna människor."
Han förklarade att "extraordinära påståenden kräver extraordinära bevis - varje aspekt kräver den starkaste granskningen", men Prof Stringer påpekade också: "Höga och koncentrerade krafter måste ha krävts för att krossa de tjockaste mastodontbenen, och den lågenergidepositionsmiljön tycks inte ge något uppenbart alternativ till människor som använder de tunga kuller som finns med benen."
Den dateringsmetod som forskarna använder för att ge en ålder åt detta material fungerar genom att mäta det radioaktiva sönderfallet av uran som blir inkorporerat i benen med tiden.
"Den typ av prover som är mest daterade med denna teknik är de som innehåller uran som en primär substitution i sin struktur, såsom oorganiska karbonater, som grottkarbonater, eller koraller, som tar in uran när de tar kalcium ur havsvatten," Dr Warren D Sharp, en expert på isotop från Berkeley Geokronology Center i Kalifornien, berättade BBC News.
"Vad de har gjort i den här tidningen appliceras det på ben. Det kan vara utmanande eftersom ben inte innehåller betydande mängder primärt uran. De får uranet när de blir begravda - de tar upp det från markporevatten."
Han tillade: " Som sagt, jag tycker att dateringen är bra. De har gjort ett mycket försiktigt arbete. De har daterat flera prover och fått liknande resultat. Systematikerna för uranhalterna i profiler över benen är vad man kan förvänta sig för tillförlitliga datum. Och de ben som de har daterat verkar vara en integrerad del av platsen, så deras ålder bör vara relevant för resten av observationer."
Prof Meltzer sade historien om materialet från platsen innebar att det skulle vara svårt att någonsin säga med någon säkerhet att människor bröt benen. Han förklarade: " [bevisen] kommer från en plats som grävdes ut [cirka] 25 år sedan som ett bärgningsprojekt under en motorvägsexpansion.
"Den typ av detaljerad information som behövs för att förstå hur dessa ben och stenar kom att bli... är helt enkelt inte tillgänglig. Författarna gör vad de kan med de stora samlingarna, men de måste nödvändigtvis förlita sig mer på generaliseringar om vad som kunde (eller inte kunde) redogöra för bevisen - vilket leder oss tillbaka till problemet med jämvikt."
Följ Paul på Twitter.
En undersökning som hävdar att människor nådde Amerika för 130.000 år sedan - mycket tidigare än vad som tidigare föreslagits - har lett till stridigheter.