Esta subespecie fue uno de los mayores leones. El esqueleto de un macho adulto, que fue encontrado en 1985 cerca de Siegsdorf (Alemania), tenía una altura a los hombros de cerca de 1.2 metros y una longitud de cabeza-cuerpo de 2.1 metros sin la cola. Esta talla es similar a la de un león moderno muy grande. Sin embargo, el tamaño de este macho ha sido excedido por otros especímenes de esta subespecie; por lo tanto pudo haber sido cerca de un 8%-10% mayor que los leones modernos y algo menor que la subespecie de león más antigua Panthera leo fossilis o el relativamente grande león americano (Panthera leo atrox). Adicionalmente, se estima que un espécimen grande pesaba entre 317-362 kilogramos.1
El león de las cavernas es conocido a partir de pinturas rupestres, tallas en marfil, y figurillas de arcilla. Estas representaciones indican que los leones cavernarios poseían orejas redondeadas sobresalientes, colas con mechón, tal vez tenues rayas como las de los tigres, y que al menos algunos poseían un "collar" de pelo o melena primitiva alrededor de su cuello, indicando que se trataba de machos. Otros artefactos arqueológicos indican que eran representados en rituales religiosos del Paleolítico. Una ilustración de la cueva de Chauvet en Francia, la cual tiene una edad estimada en 30,000 años antes del presente, representa dos leones de las cavernas caminando juntos, uno en el fondo y otro por delante. El león en primer plano es más pequeño que el del fondo, el cual posee un escroto, pero no melena.2
En 2008, se exhumó un espécimen de león de las cavernas bien preservado cerca del río Maly Anyuy en Chukotka en Rusia, el cual aún preservaba algunas matas de pelo.3 En un estudio de 2016 se identificó el pelo como perteneciente al león basándose en su ADN, y la comparación con el de un león africano reveló que el pelo de león cavernario era de color similar al de sus primos modernos, aunque algo más pálido. Además de esta coloración levemente diferente, los leones de las cavernas tenían una subcapa de pelaje denso y grueso de color amarillento a blanco, de consistencia muy suave y ondulada con una masa más reducida de pelos de color más oscuro de protección, como adaptación para el clima de la edad glacial.
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