大熊猫化石，是指大熊猫的遗体、遗迹和遗物，所谓化石是指保存在岩层中地质历史时期的古生物遗物和生活遗迹以及生物成因的残留有机分子。

依据对云南禄丰晚中新世古猿地层中发现的大熊猫化石研究分析，在800—900万年前的晚中新世，我国云南禄丰等地的热带潮湿森林的边缘，生活着大熊猫的祖先——始熊猫，这是一种由拟熊类演变而成的以食肉为主的最早的熊猫，个体犹如一只较肥胖的狐狸。

始熊猫的主支在我国的中部和南部继续演化为大熊猫类，其中一种名为小种大熊猫，出现在距今约300万年的更新世初期，体型只有现生大熊猫的一半大，像一只胖胖的狗；到了距今50—70万年的更新世中晚期，大熊猫武陵山亚种和大熊猫巴氏亚种出现。其中武陵山亚种是小种大熊猫到巴氏亚种的过渡型，化石大熊猫武陵山亚种的体型仅比现生大熊猫小约1/8，而化石大熊猫巴氏亚种的体型普遍比现生大熊猫大约1/8。

更新世中晚期，自然环境开始发生剧烈变化，我国秦岭及其以南山脉出现大面积冰川。直到距今约1万8千年前的第四纪冰期之后，剑齿虎、剑齿象等众多大型动物灭绝，北方的大熊猫也随即绝迹，仅留下南方一小支大熊猫继续繁衍生息，成为我们现在所看到的现生大熊猫。

2002年10月，湖南省桂东县四都乡角植村的陈建东等8位村民，曾在开发天然溶洞做旅游景点时，无意中发现了动物化石，为了防止遗失，他们将10多块化石从洞中凿下，收藏于家中。经专家鉴定，这些化石系大熊猫化石。

2021年12月6日，贵州科学院山地资源研究所科研人员与国外科研人员在对双河洞进行联合科考时，发现了大熊猫桡籽骨（伪拇指）化石。该发现表明，至少在距今10.2万年前大熊猫已进化出了与现生大熊猫近乎一样的“伪拇指”。大熊猫在抓取竹子进食方面，四肢显示出了一个特殊的演化适应现象：与其他熊类相比，大熊猫手掌多出一个“拇指”。该“拇指”是桡籽骨增大而成的非真正意义上的拇指，与其他五个“手指”合力抓取竹子，被称为“伪拇指”。现生的大熊猫属于食肉目熊科，生性喜食竹子。此前，由于缺乏化石证据，大熊猫从何时过渡到以竹子为主要食物的时代还没有很好地确定。在绥阳双河洞发现的桡籽骨（伪拇指）化石，为了解大熊猫食竹特性提供了重要证据。这2具大熊猫化石的保存完整度极高，在全球范围内非常罕见。牙釉质测年数据显示，一个生活在距今10.2万年以前，另外一个生活在距今4.9万年以前。”贵州科学院山地资源研究所助理研究员王德远在接受记者采访时说。截至目前，在双河洞内发现的大熊猫化石个体近30个。本次新证据的发现，反映出当时大熊猫已经具备了像现代大熊猫一样灵活地使用前掌抓取竹子的生理条件，极大地提高了人们对大熊猫食性特征演化的认识。

2022年，张家界山地救援队队员在湖南湘西一处超过百米深的洞穴内探险时，意外发现了一些化石，科研人员经形态学研究与DNA鉴定，确认化石标本为大熊猫。他们最初以为是野猪骨骼，经过专家辨认发现是大熊猫骨骼化石，他们第一时间保护现场并报告了有关部门。专家表示，这次大熊猫化石的发现对研究大熊猫物种分布具有重要意义。

2024年4月13日，绥阳双河洞申报世界自然遗产科考传出好消息：由贵州师范大学喀斯特研究院教授、国家林草局世界遗产专家委员会副秘书长肖时珍，贵州科学院山地资源研究所助理研究员王德远等组成的专家科考队，在双河洞洞系一上层支洞考察时，新发现一处熊猫化石遗迹。

2024年8月5日，据陕西省自然资源厅消息：陕西省汉中市城固县二里镇五里坝村境内的一处石灰岩溶洞内发现大熊猫化石，头骨化石完整度在90%以上，其他骨骼化石完整度达70%，国内罕见。这是陕西首次发现的保存完整度较高的大熊猫化石，具有重要的科学价值和科普价值。经专家初步鉴定，该化石属于一成年大熊猫个体，可能为雌性，属于中国南方第四纪常见的“大熊猫—剑齿象动物群”成员，化石的时代为第四纪中更新世晚期至晚更新世（距今20万年至1万年）。该大熊猫化石对揭示秦巴地区大熊猫的生存演化过程及更新世古地理、古气候、古环境具有重要意义。