大熊貓是一種古老的孑遺動物，雖然其起源和演化的細節還不清楚，但估計其祖先可能是一種具有較長尾巴的小型古食肉動物，而且很可能已經進化為雜食性的食肉動物，在本世紀50年代初期，中國著名人類學家裴文中教授領導的一支洞穴考查隊在廣西的巨猿洞裡發現了一種古代大熊貓的化石，證明了距今大約300萬年前的更新世初期，當人類還沒有出現之前，大熊貓就已經來到地球上了。但那時它的數量還很稀少，分佈範圍也很狹小。從它的牙齒的形狀來推斷，其的食性和現代大熊貓已經沒有什麼區別，只是體形很小，大約只有現生大熊貓的二分之一左右，所以被命名為小型大熊貓。 到了距今100萬年以後的更新世中期，古代大熊貓又發展成比較大的體形，大約比現生的大熊貓還要大八分之一，叫做巴氏大熊貓，其種群逐漸繁衍昌盛，廣泛分佈於陝西、河南、湖北、四川、貴州、湖南、廣東、廣西、雲南、甘肅等10餘個省境內，甚至在北京周口店、臺灣，以及緬甸等地也有它的足跡，與其它動物組成了當時具有代表性的動物群落，被古生物學家稱之為大熊貓劍齒象動物群。隨著歐亞大陸冰川的襲擊，自然環境的變化，同時期的劍齒象、劍齒虎、巨貘等許多物種都因為不能適應而相繼絕滅，成為化石，而大熊貓卻經過與大自然的頑強抗爭而生存下來，延續到今天，成為“活化石”。在距今1萬多年前以後，特別是到了新石器時代，巴氏大熊貓的分佈區及個體數量都開始縮小，並且體型也逐漸縮小。大熊貓是世界上極其寶貴的自然歷史遺產，對於人們研究生物的進化規律，有著非常重要的科學價值。

大熊貓祖先出現在2～3百萬年前的洪積紀早期。距今幾十萬年前是大熊貓的極盛時期，它屬於劍齒象古生物群，大熊貓的棲息地曾覆蓋了中國東部和南部的大部分地區，北達北京，南至緬甸南部和越南北部。化石通常在海拔500～700米的溫帶或亞熱帶森林發現。後來同期的動物相繼滅絕，大熊貓卻孑遺至今，並保持原有的古老特徵。

華人對熊貓的認識由來已久，早在文字產生初期就記載了熊貓的各種稱謂。《書經》稱貔，《毛詩》稱白羆（pi），《峨眉山志》稱貔貅，《獸經》稱貉，李時珍的本草綱目稱貘，等等。 1869年3月，法國博物學家阿爾芒·戴維神父（1826.9.7～1900.11.10），在中國四川雅安寶興縣的鄧池溝（穆坪）教堂附近科學考察時，發現了當地人稱為白熊、花熊的蹤跡。通過當地獵人的幫助，4月1日，他採集到白熊標本，毛色有黑有白，腳掌底部多毛，樣子像熊，這是他從未見過的奇異動物。它的標本和骨骼運到法國。經巴黎自然歷史博物館科學家阿爾封斯·米勒·愛德華茲鑑定，“黑白熊”是一個新物種，定名為Ailuropoda melanoleuca（貓熊），鑑定報告發表在1869年《巴黎自然歷史博物館之新文件》第五卷，從此，匿居荒野的貓熊進入人類文明的視野。

從有關化石顯示，大熊貓祖先出現在二三百萬年前的洪積紀早期，距今幾十萬年前是大熊貓的極盛時期，它屬於劍齒象古生物群，當時大熊貓棲息地曾覆蓋了中國東部和南部的大部分地區。