大熊猫的祖先是始熊猫，它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。

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。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。