化石顯示，大熊貓祖先出現在2~3百萬年前的洪積紀早期。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（夏勒，1993年）。化石通常在海拔500~700米的溫帶或亞熱帶森林發現。大熊貓棲息地的巨大變化近代才發生。近幾百年華人口激增和佔用土地，很多棲息地消失了。以前，大熊貓曾經生活的在低山河谷，現在已經成了居民點。大熊貓只能生活在竹子可以生長的海拔1200~3400米之間。

大約在800萬年前的中新世紀晚期，在中國領土上就發現了大熊貓的存在。

迄今所發現的最古老大熊貓成員——始熊貓的化石出土於中國雲南祿豐和元謀兩地，地質年代約為800萬年前中新世晚期。

大熊貓的祖先是始熊貓、始熊貓的主支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，體形比熊貓小，始熊貓的主支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，體形比熊貓小。