L'Homo Sapiens fréquente le territoire de Tremblay et s'y implante à la fin de la Préhistoire. On constate sa présence à partir du Paléolithique supérieur (30 000-12 000 avant J.-C.). Son installation se fait le long des rives du Sausset où il se sédentarise pour plusieurs milliers d'années.

Au début de l'ère chrétienne, les premières constructions façonnent les abords de Tremblay. À l'est, une villa gallo-romaine de plus de six hectares s'établit au lieu-dit appelé « Nouray » (ou Nouret). Le savoir-faire gallo-romain s'y exprime à merveille avec l'installation de thermes entre les Ier et IIIe siècles. Ceux-ci comprennent notamment un système de chauffage par le sol appelé « hypocauste » réalisé en excavation ainsi que des pièces froides construites au niveau du sol.

Plus au nord, c'est une ferme gallo-romaine qui est exploitée dès le IVe siècle au lieu-dit appelé « Le Tronchet ». À cette époque l'habitat se concentre de part et d'autre du Sausset.

Au sud du ruisseau, à l'écart des habitations, les rites funéraires s'établissent. Les inhumations, réalisées dans des cercueils en bois cloutés, diffèrent en fonction du genre et de la place dans la société. Les femmes et les hommes adultes sont enterrés autour d'un lieu regroupant les jeunes gens. Le défunt est inhumé muni de parures et d'offrandes, d'objets en verre ou en céramique selon son rang social. Une nécropole de 63 sépultures datant du Bas-Empire (IIIe-IVe siècles), découverte en 2004-2005 au Vieux-Pays lors de fouilles en marge d'un chantier routier, témoigne de ces rites antiques.