Les lions des cavernes sont aujourd'hui tous éteints. Ils vivaient en Eurasie et en Amérique. On peut supposer qu’ils possédaient une touffe de poils noirs au bout de leur queue, tout comme les lions modernes. On pense que, contrairement aux lions actuels, ils chassaient seuls ou en couple. Cela a été prouvé par les lions de Rancho La Brea, en Californie, où les jeunes avaient des dents plus usées que les jeunes lions modernes. Ils ont pu habiter des grottes ou dans des failles pendant l’hiver.
Le lion des cavernes primitif (Panthera leo fossilis) est le lion du Pléistocène inférieur et moyen. Il était autrefois présent dans une bonne partie de l'Ancien Monde.
Peinture d'un lion des cavernes par Heinrich HarderLe lion des cavernes (Panthera leo spelaea) est le lion du Pléistocène supérieur. Il était présent dans l'Europe entière. L'extinction de ces animaux associés à des milieux ouverts de climat tempéré ou froid est sans doute liée à un changement climatique (et éventuellement à la disparition des proies dont ils se nourrissaient) plutôt qu'à une chasse intensive par les groupes humains. Découvert au XIXe siècle, il a tout d'abord été rapproché des espèces modernes de taille voisine, à savoir les tigres et les lions. En décrivant le crâne type de Gailenreuth, Georg August Goldfuss estima qu'il était distinct des taxons modernes. Il est considéré aujourd'hui comme une sous-espèce indépendante, avec toutefois suffisamment de caractères léonins pour justifier son rattachement à l'espèce Leo. Il s'agit de l'ancêtre direct du lion moderne[75]. Il est possible que les mâles n'aient pas eu de crinière, ou qu'ils en aient eu une très petite et primitive. En effet, les représentations de lion dans l'art paléolithique ne présentent pas de crinière aussi fournie que celle des lions actuels. On ne sait pas non plus s'ils avaient des sortes de taches dispersées sur leur pelage ou bien si leur couleur était uniforme. Le lion des cavernes se distingue des lions actuels par un museau plus court, des oreilles plus petites et une taille beaucoup plus grande ; on pense que les mâles pouvaient être aussi grands et aussi lourds que des tigres, c'est-à-dire 1,50 mètre de hauteur à l'épaule, 4 mètres de longueur et un poids de 400 à 500 kilogrammes.
Le lion de Sibérie orientale et de Béringie (Panthera leo vereshchagini) n'existait que dans la province de Yakoutie en Russie, en Alaska et dans le territoire de Yukon au Canada. Une analyse menée sur des crânes fossiles et leurs mandibules montre que ce lion est bel et bien une nouvelle sous-espèce, différente des autres lions préhistoriques à savoir, le lion d'Amérique par une taille supérieure et le lion des cavernes par une taille inférieure[79],[75].
Le lion d'Amérique (Panthera leo atrox) était présent de l'Alaska au Pérou pendant tout le Pléistocène supérieur. Ces lions ressemblaient beaucoup aux lions modernes, mais étaient bien plus grands. D'après certaines représentations dans les cavernes, le lion américain aurait possédé quelques rayures, mais bien moins importantes que celles du tigre. On suppose qu'ils chassaient alors des animaux moins rapides mais plus robustes, comme le bison, mais leur force et leur poids leur permettaient d’abattre la proie au sol. Ils s’attaquaient également aux chevaux, à des cervidés, et même à de jeunes mammouths. Beaucoup de lions ont été retrouvés dans les restes de camps humains datés du Paléolithique, cela laisse penser que les lions étaient chassés par les hommes. Dans l'Idaho, des restes de lion américain ont été retrouvés dans les débris d'une grotte appelée « Jaguar Cave », ils sont datés de 10 300 ans. Plusieurs autres fossiles prouvent que ces lions ont été chassés par les premiers Amérindiens[80].
Le lion d'Europe (Panthera leo europaea) s'étendait durant l'Antiquité jusqu'au sud de l'Europe occidentale comme au Moyen et Proche-Orient. On l'assimile souvent (à tort) au lion d'Asie.