Pewne niepotwierdzone przesłanki wskazują, że lew jaskiniowy zachował się znacznie dłużej na Bałkanach, aż do epoki historycznej 2 tys. lat temu, a o jego występowaniu w lasach Grecji wspominają Herodot i Arystoteles. Według tej teorii wytępiono go około I w. n.e. Większość uczonych jest jednak zdania, iż te relacje mówią o północnej populacji lwa azjatyckiego.
Jego głównym środowiskiem były stepy i lasy parkowe na północy oraz półpustynne obszary południowej Eurazji. Nie był przystosowany do warunków panujących na terenach pokrytych śniegiem, ani gęstą roślinnością. Lew jaskiniowy żył w całej Europie i w Azji, od Anglii do Syberii, a także na terenie PolskiAndrzej L. Ruprecht, Ssaki czwartorzędu Białostocczyzny - podsumowanie badań. W Polsce lew jaskiniowy znany jest ze stanowisk jaskiniowych na terenie Sudetów, Tatr oraz Wyżyny Krakowsko-Częstochowskiej. Jego szczątki spotykano również na terenach otwartych znajdujących się na Dolnym i Górnym Śląsku, na Pomorzu oraz w Wielkopolsce. Liczne szczątki zwierzęcia znalezione zostały w latach 1967–1970 w Jaskini Niedźwiedziej w Sudetach. Paleontolodzy podczas eksploracji jaskini wydobyli prawie kompletną czaszkę, kręgi, fragmenty miednicy i łopatki należące do dorosłych osobników.