Le panda géant est volumineux et massif ; il pèse de 80 à 125 kg avec une moyenne de 105,5 kg ; il mesure de 1,50 à 1,80 mètre de longueur, avec une moyenne de 1,65 mètre5. Comme chez la majorité des grands mammifères, les femelles sont généralement plus petites et moins massives6.
Le panda est noir et blanc, il est majoritairement constitué de blanc, avec les oreilles, les pattes et le contour des yeux noirs. Son pelage épais le protège du froid des régions de haute altitude où il vit.
Le panda possède six doigts dont un « faux pouce » opposable à ses cinq doigts. Il s'agit d'un os du poignet modifié (l'os sésamoïde). Stephen Jay Gould a utilisé cette particularité anatomique comme un exemple de « bricolage évolutif » dans son essai Le pouce du panda. Ce pouce sert notamment à attraper les tiges de bambou dont il se nourrit en grande quantité7.
Herbivore, il a de puissantes dents, pour broyer les bambous. Il possède 42 dents.
Son ouïe et son odorat sont très fins : il utilise surtout ces deux sens pour s'orienter et se repérer. Sa vue, en revanche, est plutôt médiocre : moins bonne que celle du chat ou de l'homme.

La classification taxonomique précise du panda a longtemps été discutée. Ainsi, « dans le passé, le panda rouge a été classé dans une famille séparée, les Ailuridae avec le panda géant », mais cette classification est aujourd'hui abandonnée au bénéfice d'un classement du Panda géant chez les ursidés, classification basée sur sa dentition, l'étude de son squelette et la génétique8 9.
Autre classification devenue obsolète, « tant le panda géant [...] que petit panda rouge (Ailurus fulgens) ont été regroupés dans le passé comme procyonidés », la famille desratons laveurs. Même si cette classification est également abandonnée, elle rappelle que les ursidés et les procyonidés sont deux sous-groupes assez proches de carnivora10.
Deux sous-espèces sont distinguées, la sous-espèce type A. m. melanoleuca et A. m. qinlingensis, le panda de Qinling qui se trouve