大熊猫的历史可谓源远流长。迄今所发现的最古老大熊猫成员——始熊猫的化石出土于中国云南禄丰和元谋两地，地质年代约为800万年前中新世晚期。在长期严酷的生存竞争和自然选择中，和它们同时代的很多动物都已灭绝，但大熊猫却是强者，处于优势，成为“活化石”保存到了今天。
大熊猫的祖先是始熊猫（Ailuaractos lufengensis），大熊猫的标准中文名称其实叫“猫熊”，意即“像猫一样的熊”。这是一种由拟熊类演变而成的以食肉为主的最早的熊猫。始熊猫的主支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，体形比熊猫小，从牙齿推断它已进化成为兼食竹类的杂食兽，卵生熊类，此后这一主支向亚热带扩展，分布广泛在华北、西北、华东、西南、华南以至越南和缅甸北部都发现了化石。在这一过程中，大熊猫适应了亚热带竹林生活，体型逐渐增大依赖竹子为生。在距今50-70万年的更新世中、晚期是大熊猫的鼎盛时期。生活中的大熊猫的臼齿发达，爪子除了五趾外还有一个“拇指”。这个“拇指”其实是一节腕骨特化形成，学名叫做“桡侧籽骨”，主要起握住竹子的作用。
化石显示，大熊猫祖先出现在2-3百万年前的洪积纪早期。距今几十万年前是大熊猫的极盛时期，它属于剑齿象古生物群，大熊猫的栖息地曾覆盖了中国东部和南部的大部分地区，北达北京，南至缅甸南部和越南北部。化石通常在海拔500-700米的温带或亚热带森林发现。后来同期的动物相继灭绝，大熊猫却孑遗至今，并保持原有的古老特征。
中国人对熊猫的认识由来已久，早在文字产生初期就记载了熊猫的各种称谓。《书经》称貔，《毛诗》称白罴（pi），《峨眉山志》称貔貅，《兽经》称貉，李时珍的本草纲目称貘，等等。
1869年3月，法国博物学家阿尔芒·戴维神父（1826.9.7-1900.11.10），在中国四川雅安宝兴县的邓池沟（穆坪）教堂附近科学考察时，发现了当地人称为白熊、花熊的踪迹。通过当地猎人的帮助，4月1日，他采集到白熊标本，毛色有黑有白，脚掌底部多毛，样子像熊，这是他从未见过的奇异动物。它的标本和骨骼运到法国。经巴黎自然历史博物馆科学家阿尔封斯·米勒·爱德华兹鉴定，“黑白熊”是一个新物种，定名为Ailuropoda melanoleuca（猫熊），鉴定报告发表在1869年《巴黎自然历史博物馆之新文档》第五卷，从此，匿居荒野的猫熊进入人类文明的视野。