La phylogenèse est l'étude de l'apparition et de la formation d'une espèce grâce à des fossiles. Le plus ancien fossile de lion a été découvert à Laetoli en Tanzanie ; d'après les datations, il aurait probablement 3,5 Ma.
Panthera leo est identifié pour la première fois en Europe, sur le site italien d'Isernia, par le fossile d'un lion des cavernes primitif (Panthera leo fossilis) âgé de plus de 700 000 ans. Une mâchoire inférieure de lion des gorges d'Olduvai au Kenya, plus vieille de 1,75 Ma, montre des ressemblances frappantes avec le lion des cavernes primitif. Ceux-ci sont considérés comme les plus grands lions d'Europe et ont chassé pendant l'interglaciaire cromérien, il y a plus de 500 000 ans, près de Wiesbaden en Hesse et près de Heidelberg dans le Bade-Wurtemberg. Quelques spécimens étaient presque aussi longs que les plus grands lions de l'histoire de la Terre, les lions américains (Panthera leo atrox) de Californie qui ont atteint un record de longueur : jusqu'à 3,60 mètres de long avec la queue (longueur hors queue, environ 2,40 mètres).
La plupart des découvertes de lions en Europe sont des lions des cavernes (Panthera leo spelaea) ; apparus lors de la période glaciaire de Mindel, ils correspondent à une évolution des lions des cavernes primitifs. Bien qu'il ne soit spécialement apparenté avec aucune des sous-espèces actuelles, les études sur l'ADN ont confirmé que le lion des cavernes était un lion authentique[75]. Une autre sous-espèce a vécu, quant à elle, en Asie nord-orientale, en Béringie (au niveau de l'actuel détroit de Béring), appelée lion de Sibérie orientale et de Béringie (Panthera leo vereshchagini). En Europe centrale, Asie du Nord et en Amérique, les lions étaient, jusqu'à la fin du Pléistocène, une espèce fréquente de la faune locale, mais disparurent à la fin de la dernière période de