自从1869 年首次被科学发现以来，大熊猫在动物界中的分类就一直是争议不断的问题。以发现者阿尔芒·戴维（Armand David）为首的一批科学家认为大熊猫是一种熊，还有一部分学者认为大熊猫和小熊猫是一类。
大熊猫走路时5个脚趾全部着地，会留下有5个脚趾的足迹。这点和所有的熊科动物一样。猫科动物的前足虽然也有5个脚趾，但前爪内侧的拇指不着地，所以无论前后足的足迹都只有4个趾印。大熊猫的尾巴长度为8—16厘米，其他熊科动物的尾巴平均长度也都不到20厘米。而猫科动物全都是食肉动物，为了在追踪猎物时维持身体平衡，它们的尾巴普遍较长，都超过20厘米。从食性上说，大熊猫很少吃肉，其他熊科动物也只有北极熊是以肉为主。从四肢的灵活度上说，大熊猫的锁骨和所有熊科动物一样灵活。 不过，大熊猫也有些不同于其他熊科动物的特征，例如手足腕部两侧都有一块延长的骨头、不冬眠等。这些特征都显示大熊猫和熊有关，但关系似乎又不是很紧密。
随着分子学技术的发展，生物学家开始尝试从亲缘关系的角度研究动物。研究人员通过基因组测序和脱氧核糖核酸研究，发现包括大熊猫在内的所有熊科动物都有一个名叫 “祖熊”的共同祖先，大熊猫在熊科中独立成为一个亚科。