大熊猫的历史可谓源远流长。

迄今所发现的最古老大熊猫成员——始熊猫的化石出土于中国云南禄丰和元谋两地，地质年代约为800万年前中新世晚期。在长期严酷的生存竞争和自然选择中，和它们同时代的很多动物都已灭绝，但大熊猫却是强者，处于优势，生存至今成为“活化石”。 从已发现的化石表明，由始熊猫演化的一个旁支叫葛氏郊熊猫（agriarcros goaci），分布于欧洲的匈牙利和法国等地的潮湿森林，在中新世末绝灭。主支在中国的中部和南部演化为大熊猫类，其中一种叫小型大熊猫，在距今约300万年的更新世初期出现，体形比熊猫小，其化石被定名为大熊猫的小种（ailuropoda micrta）。从牙齿推断它已进化成为兼食竹类的杂食兽，卵生熊类，此后这一主支向亚热带扩展，分布广泛在华北、西北、华东、西南、华南以至越南和缅甸北部都发现了化石。在这一过程中，大熊猫适应了亚热带竹林生活，体型逐渐增大依赖竹子为生。生活中的大熊猫的臼齿发达，爪子除了五趾外还有一个“拇指”。这个“拇指”其实是一节腕骨特化形成，学名叫做“桡侧籽骨”，主要起握住竹子的作用。化石显示大熊猫祖先出现在2-3百万年前的洪积纪早期。距今几十万年前是大熊猫的极盛时期，它属于剑齿象古生物群，大熊猫的栖息地曾覆盖了中国东部和南部的大部分地区，北达北京，南至缅甸南部和越南北部。化石通常在海拔500-700米的温带或亚热带森林发现。后来同期的动物相继灭绝，大熊猫却孑遗至今，并保持原有的古老特征。