Ein ausgewachsenes Höhlenlöwen-Männchen, das 1985 bei Siegsdorf gefunden wurde, hatte eine Schulterhöhe von ca. 1,20 m und eine Kopfrumpflänge von 2,10 m. Das entspricht einem sehr großen heutigen Löwen. Der Siegsdorfer Löwe wurde von anderen Exemplaren des Höhlenlöwen noch um einiges übertroffen. Europäische Höhlenlöwen dürften demnach etwa 5-10 % größer gewesen sein als heutige Löwen, erreichten aber nicht die enormen Ausmaße der Mosbacher Löwen (Panthera leo fossilis) und der Amerikanischen Löwen (Panthera leo atrox). Aus steinzeitlichen Höhlenmalereien und Schnitzereien lassen sich Rückschlüsse auf das Fell und die Mähne des Höhlenlöwen ziehen. Besonders eindrucksvolle Löwendarstellungen zeigen die Farbbilder der Chauvet Höhle in der Ardèche in Südfrankreich und die Elfenbeinschnitzerei eines Löwen aus der Vogelherdhöhle in der Schwäbischen Alb in Süddeutschland. Steinzeitliche Darstellungen zeigen Höhlenlöwen immer ohne Mähne, was ein Hinweis darauf sein kann, dass männliche Höhlenlöwen im Gegensatz zu ihren afrikanischen und indischen Verwandten mähnenlos waren. Außerdem zeigen diese Darstellungen oftmals die löwentypische Schwanzquaste. Das Fell scheint nach diesen Zeichnungen einfarbig gewesen zu sein.

Löwen besiedelten Europa und Nordasien sowohl in den Warmzeiten als auch in den Kaltzeiten. In Mitteleuropa kamen die Höhlenlöwen auch während der maximalen Vereisung vor. Fossile Trittsiegel von Höhlenlöwen, die neben denen von Rentieren erhalten sind, weisen nach, dass diese Katzen mindestens bis in subpolare Zonen vorgedrungen sind. Ihre Nahrung bestand vor allem aus größeren Huftieren der damaligen Zeit, etwa Wildpferden, Hirschen, Wildrindern und Antilopen. In jungpleistozänen Ablagerungen des Rheins von Hessenaue bei Darmstadt wurde das Schienbein eines Höhlenlöwen gefunden, das trotz einer schweren Entzündung des Knochenmarks, die das Tier vorübergehend jagdunfähig machte, später wieder verheilt ist. Das Tier muss demnach noch längere Zeit mit dieser Behinderung überlebt haben. Das legt nahe, dass dieses Tier von Artgenossen an der Beute geduldet oder mit Futter versorgt wurde. Möglicherweise war der Höhlenlöwe also ähnlich wie heutige Löwen ein Rudeltier.

Trotz seines Namens war der Höhlenlöwe kein dauerhafter Bewohner von Höhlen. Im Gegensatz zur Höhlenhyäne und zum Höhlenbär hat er Höhlen vermutlich nur selten als Versteck aufgesucht. Besonders kranke, alte oder geschwächte Höhlenlöwen suchten hier wahrscheinlich Schutz und verendeten.