Le lion des cavernes a vécu entre - 300 000 et - 10 000 ans, succédant à Panthera leo fossilis, plus grand et adapté à un climat plus chaud.
Il était le plus gros prédateur des deux dernières périodes glaciaires. Son aire de répartition s’étendait de la Sibérie (où il cohabitait avec Panthera leo vereshchagini, un autre lion) jusqu’à l’Europe du Sud. Même si les lions des cavernes préféraient les périodes plus clémentes, ils fréquentaient également l’Eurasie lors des périodes les plus froides.
Ses principaux fossiles proviennent d’Angleterre (exemple du gisement de Trafalgar Square), d’Allemagne (notamment en Bavière, grotte de Siegsdorf), d’Europe de l’Est et de Russie, également en France ; proportionnellement aux autres animaux, les fossiles de lions sont rares, ce qui ne veut pas dire qu’il n’était pas présent.
L’habitat du lion des cavernes était la grande steppe de carex, de pâturin, de brome et d’autres graminées de l’époque glaciaire. Contrairement à l’idée que l’on se fait de lui, il ne vivait pas sous un épais manteau neigeux, même si les températures les plus élevées de la steppe n’était que d’environ -10°C. Les seuls arbres que l’on trouvait étaient des pins, des épicéas, des aulnes ou des saules, accompagnés d’arbustes à baies (genévriers, myrtilles…) et rhododendrons.
Le lion des cavernes vivait dans un environnement peuplé de gros mammifères : ours des cavernes (Ursus speleaus), mammouths (Mammuthus primigienus), rennes (Rangifer tarandus), bœufs musqués (Ovibos moschatus), mégacéros (Megaloceros giganteus), antilopes saïga (Saiga tatarica) ou bisons (Bison priscus); ce dernier devait être sa proie principale. Il est également contemporain des premiers humains modernes (Homo sapiens).
Malgré son nom, le lion des cavernes n’habitait probablement pas les abris souterrains, excepté l’hiver pour se protéger du froid.