据已发现的化石研究分析，早在800万年前的晚中新世，中国云南禄丰等地的热带潮湿森林的边缘，就生活着大熊猫的祖先――始熊猫（Ailuaractos Lufengensis），这是一种由拟熊类演变而成的以食肉为主的最早的熊猫，个体犹如一只较肥胖的狐狸。由始熊猫演化的一个旁枝叫葛氏郊熊猫（Agriarcros goaci），分布于欧洲的匈牙利和法国等地的潮湿森林，在中新世末期即灭绝。而始熊猫的主枝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，体型只有现生大熊猫的一半大，像一只胖胖的狗，其化石被定名为大熊猫的小种（Ailuropoda micrta）。从大熊猫小种的化石牙齿推测，它已进化成为兼食竹类的杂食兽。这些小型大熊猫又经历了约200万年，开始向亚热带潮湿森林延伸，并取代始熊猫广泛分布于云南、广西和四川。以后大熊猫进一步适应亚热带竹林生活，体型逐渐增大，距今50-70万年的更新世中、晚期，是大熊猫的鼎盛时期，化石大熊猫武陵山亚种（Ailuropoda milanoleuca wulishansis）的体型仅比现生大熊猫小约1/8更新世晚期，化石大熊猫巴氏亚种（Ailuropoda milanoleuea daconi）的体型又普遍的比现生大熊猫大约1/8，而且依赖竹子为生。