大貓熊的祖先是始貓熊（Ailuaractos lufengensis），這是一種由擬熊類演變而成的，以食肉為主的最早的貓熊。始貓熊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，體形比現在的貓熊小，從牙齒推斷它已進化成為兼食竹類的雜食獸，此後這一主支向亞熱帶擴展，分布廣泛，在華北、西北、華東、西南、華南以至越南和緬甸北部都發現了化石。在這一過程中，大貓熊適應了亞熱帶竹林生活，體型逐漸增大，依賴竹子為生。在距今50－70萬年的更新世中、晚期是大貓熊的鼎盛時期。現在的大貓熊的臼齒發達，爪子除了五趾外還有一個「拇指」。這個「拇指」其實是一節腕骨特化形成，學名叫做「橈側籽骨」，主要起握住竹子的作用。