大熊貓的歷史可謂源遠流長。迄今所發現的最古老大熊貓成員——始熊貓的化石出土于中國云南祿豐和元謀兩地，地質年代約為800萬年前中新世晚期。在長期嚴酷的生存競爭和自然選擇中，和它們同時代的很多動物都已滅絕，但大熊貓卻是強者，處于優勢，成為“活化石”保存到了今天。

大熊貓的祖先是始熊貓（Ailuaractoslufengensis），大熊貓的標準中文名稱其實叫“貓熊”，意即“像貓一樣的熊”。這是一種由擬熊類演變而成的以食肉為主的最早的熊貓。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，從牙齒推斷它已進化成為兼食竹類的雜食獸，卵生熊類，此后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，大熊貓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、晚期是大熊貓的鼎盛時期。生活中的大熊貓的臼齒發達，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。

化石顯示，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，它屬于劍齒象古生物群，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。后來同期的動物相繼滅絕，大熊貓卻孑遺至今，并保持原有的古老特征。

中國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，他采集到白熊標本，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·愛德華茲鑒定，“黑白熊”是一個新物種，定名為Ailuropodamelanoleuca（貓熊），鑒定報告發表在1869年《巴黎自然歷史博物館之新文檔》第五卷，從此，匿居荒野的貓熊進入人類文明的視野。