Пещерный лев жил по всей Европе и в северных регионах Азии, через Берингову сушу заходил в Северную Америку и далее спускался до Южной Америки. Известно о существовании перуанского подвида пещерного льва. Размеры пещерного льва также варьировали в зависимости от места обитания. Например, на северо-востоке Азии обитали наиболее крупные представители этого вида. В последние годы уральские ученые обнаружили в пещерах Южного Урала останки самых крупных пещерных львов, назвав их гигантскими пещерными львами.

Несмотря на свое название, пещерные львы не жили в пещерах, а предпочитали открытые пространства тундростепи, как и современные львы, живущие в африканской саванне. Останки этих животных часто находят в пещерах по той причине, что именно туда львы приходили умирать. Такие крупные хищники редко гибли от неестественных причин, поэтому, умирая от старости или болезни, они старались найти уединенные места.

Ученые полагают, что пещерные львы имели аналогичные с их нынешними родственниками повадки. Видимо, пещерные львы тоже жили прайдами, в которых был один самец-вожак, несколько самок и львята. Самец выполнял функцию защиты прайда, а также являлся отцом всех детенышей в стае. Сейчас ложно сказать, сколько особей насчитывал прайд пещерных львов.