Il est admis actuellement que le lion des cavernes « eurasiatique » était présent en Alaska et au Yukon durant le Pléistocène supérieur (Harington, 1969 ; Vereshchagin, 1971 ; Kurtén, 1985 ; Baryshnikov et Boeskorov, 2001 et Sotnikova et Nikolskiy, 2007), la forme « américaine » se serait alors développée en traversant le Canada, il y a environ 100 000 ans.
Selon les études modernes, le lion des cavernes (Panthera spelaea, Goldfuss) se serait séparé du lion actuel (P. leo, Linnaeus) en arrivant sur le continent européen, l’espèce fut alors isolée et mieux adapté à un climat froid, de plus grande taille moyenne. Il apparaît en Europe au Pléistocène moyen, dont Mosbach (Schutt, 1969) ou Isernia La Pineta (Sala, 1990) et disparut il y a environ 10 000 ans, à la fin du Pléistocène supérieur. Une étude récente basée sur les séquences d’AND de plusieurs restes européens à démontrer que le lion des cavernes s’est séparé du phylum des lions actuels très tôt (Burger et al. 2004).
La plupart des auteurs modernes reconnaissent plusieurs espèces (Sotnikova et Nikolskiy, 2007…), Burger et al. 2004 rattachent le lion des cavernes à Panthera leo ; mais il semble plutôt qu’il ne s’agisse que d’une seule et même espèce. Il existe donc différentes sous-espèces :
- Panthera spelaea fossilis (Reichenau, 1906) : Forme primitive issue des lions modernes (Europe), de très grande taille.
- Panthera spelaea spelaea (Goldfuss, 1810) : Forme type, de plus petite taille (Europe, Russie)
- Panthera spelaea vereshchagini (Baryshnikov et Boeskorov, 2001) : Forme de petite taille (Sibérie orientale, Alaska, Territoire du Yukon).
- Panthera spelaea atrox (Leidy, 1853) : Forme de taille comparable à P. spelaea fossilis (Etats-Unis, Mexique).