據已發現的化石研究分析，早在800萬年前的晚中新世，中國雲南祿豐等地的熱帶潮濕森林的邊緣，就生活著大熊貓的祖先――始熊貓（AiluaractosLufengensis），這是一種由擬熊類演變而成的以食肉為主的最早的熊貓，個體猶如一隻較肥胖的狐狸。由始熊貓演化的一個旁枝叫葛氏郊熊貓（Agriarcrosgoaci），分布於歐洲的匈牙利和法國等地的潮濕森林，在中新世末期即滅絕。而始熊貓的主枝則在中國的中部和南部繼續演化，其中一種在距今約300萬年的更新世初期出現，體型只有現生大熊貓的一半大，像一隻胖胖的狗，其化石被定名為大熊貓的小種（Ailuropodamicrta）。從大熊貓小種的化石牙齒推測，它已進化成為兼食竹類的雜食獸。
這些小型大熊貓又經歷了約200萬年，開始向亞熱帶潮濕森林延伸，並取代始熊貓廣泛分布於雲南、廣西和四川。以後大熊貓進一步適應亞熱帶竹林生活，體型逐漸增大，距今50-70萬年的更新世中、晚期，是大熊貓的鼎盛時期，化石大熊貓武陵山亞種（Ailuropodamilanoleucawulishansis）的體型僅比現生大熊貓小約１／８。到更新世晚期，化石大熊貓巴氏亞種（Ailuropodamilanoleueadaconi）的體型又普遍的比現生大熊貓大約１／８，而且依賴竹子為生。
在整個更新世，化石亞種大熊貓分布相當廣泛，幾乎遍布中國東部和南部，北至北京周口店，南至台灣島及緬甸、越南、泰國北部。當時的大熊貓與劍齒虎、劍齒象以及北京猿人、南方猿人一起生活，構成典型的更新世大熊貓――劍齒象動物化石群。就在更新世中晚期，秦嶺及其以南山脈出現大面積冰川等自然環境的劇烈變化，特別是在距今約1萬8千年前的第四紀冰期之後，大熊貓――劍齒象動物群衰落，大部分動物滅絕，僅留下無數化石表明它們曾經存在。北方的大熊貓絕跡，南方的大熊貓分布區也驟然縮小，進入歷史的衰退期。
