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，成为“活化石”保存到了今天。
大熊猫的祖先是始熊猫(Ailuaractos lufengensis)，大熊猫的标准中文名称其实叫“猫熊”，意即“像猫一样的熊”。这是一种由拟熊类演变而成的以食肉为主的最早的熊猫。始熊猫的主支则在中国的中部和南部继续演化，其中一种在距今约300万年的更新世初期出现，体形比熊猫小，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。在距今50-70万年的更新世中、晚期是大熊猫的鼎盛时期。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。
