Пещерные львы были очень крупными кошками — крупнейшими из всех некогда существовавших. Некоторые особи без труда обгоняют в размерах лигра — помесь льва и тигра, который теперь является самым крупным представителем семейства кошачьих из ныне живущих. Взрослый самец мог достигать высотой в холке полутора метров, а длина его тела, без учета хвоста, составляла более двух метров. Это можно соотнести с очень крупным современным львом, хотя были особи куда крупнее. По размерам с пещерным львом мог сравниться только мосбахский лев, но некоторые особи могли уступать в высоте холки. Благодаря наскальным рисункам мы можем делать выводы о внешнем виде пещерных львов — их окрас и наличие или отсутствие гривы. На древних рисунках пещерные львы изображаются исключительно без гривы, следовательно, все пещерные львы не имели грив, или она была относительно маленькой. Также на рисунках можно наблюдать характерную для современных львов кисточку на конце хвоста.

Окрас пещерных львов на рисунках однотонный, бледно-рыжий — можно сделать вывод, что пещерные львы не имели отличительных пятен и полосок, что также роднит их с современными львами. Львята по размерам не отличались от детенышей современных львов. Этот вывод был сделан из очередной находки: в Якутии был найден замороженный пещерный лев в возрасте нескольких месяцев, который почти ничем не отличался от современных львят.