Probablemente fueron los félidos más grandes que han existido jamás, los leones americanos eran enormes, en torno a un 25 % más grandes que los leones africanos actuales, puesto que estos últimos, en sus ejemplares más grandes, la altura al hombro supera el metro con hasta cuatro centímetros más una melena que lleva la cifra hasta 1,20 m; el león americano que probablemente no contaba con melena, llegaba a 1,50 m de altura al hombro; la longitud de cabeza y cuerpo se estima entre 2.5-3.5 metros.
Las representaciones prehistóricas de éstos dibujan machos sin melena, y en algunos casos se aprecian unas pocas manchas o rayas cortas en la cola o cuartos traseros (se ha sugerido que el arte rupestre no dibuja melenas porque los hombres primitivos solo representaban hembras, pero hay casos como el del león de la cueva francesa de Combarelles donde se aprecia claramente el sexo masculino del animal).
La caza en manada y su robusta constitución física les permitía capturar todo tipo de grandes animales, principalmente asnos, caballos, ciervos y bisontes, que entonces abundaban en América.
Aunque aún no han sido clasificados debidamente, estos restos se interpretan como pertenecientes a una especie cercana al tigre o quizás una subespecie primitiva de él relacionada con el actual tigre siberiano, lo que planteó la duda si era una subespecie de león o de tigre.
Aunque no muy desarrollada, se generó una pequeña polémica a este respecto entre diferentes autores.
[17] Un estudio más reciente que comparó el cráneo, mandíbulas y dientes del león americano con otros panterinos concluyó que no era un león y era distinto de las especies actuales.
El más reciente antepasado común de ambas poblaciones aparentemente vivió hace unos 340 000 (194 000-489 000) años.
[19] Se estima que el más reciente ancestro común del linaje L. atrox vivió hace 200 000 (118 000-246 000) años.
Se ha sugerido que el bosque boreal puede haber contribuido a la separación durante los intervalos cálidos; de forma alternativa, también puede haber existido ya una separación de especies.
Los primeros humanos entraron desde Siberia hace unos 15 000 años y se expandieron rápidamente hasta alcanzar la Tierra del Fuego.
Al contrario que en otros lugares, la megafauna norteamericana a la que pertenecía Panthera leo atrox no había estado expuesta antes de la llegada del Homo sapiens a la depredación por parte de homínidos y sería incapaz de identificar a la nueva especie como depredador.
La Cueva del Jaguar, en Idaho, muestra los restos de leones cavernarios muertos y consumidos por humanos hace 10.300 años, lo que evidencia que humanos y leones no solo compitieron por las presas, sino que hubo caza directa del león como fuente de alimento.