Người ta cho rằng gấu nâu đã tiến hóa từ Ursus etruscus. Các hóa thạch cổ nhất có tại Trung Quốc, khoảng 0,5 triệu năm trước (Ma). Chúng đã tiến vào châu Âu khoảng 0,25 Ma, và vào Bắc Mỹ chỉ một thời gian ngắn ngay sau đó. Các di tích gấu nâu với niên đại thuộc thế Pleistocen là phổ biến trên đảo Anh, nơi mà người ta cho rằng chúng đã vượt qua gấu hang (Ursus spelaeus). Loài này tiến vào Alaska khoảng 0,1 Ma, mặc dù chúng đã không tiến xuống phía nam Bắc Mỹ cho tới khoảng 13.000 năm trước.[3] Người ta cho rằng gấu nâu đã không thể tiến xuống phía nam cho tới khi loài gấu mõm ngắn Arctodus simus to lớn hơn bị tuyệt chủng.[4] Một số nhà cổ động vật học lại đề xuất khả năng về hai đợt di cư tách biệt của gấu nâu: gấu xám được coi là phát sinh ra từ gấu hộp sọ hẹp, di cư từ miền bắc Siberi tới miền trung Alaska và phần còn lại của đại lục, trong khi gấu Kodiak phát sinh từ gấu hộp sọ rộng có ở Kamchatka và đã chiếm lĩnh bán đảo Alaska. Các hóa thạc gấu nâu đã phát hiện tại Ontario, Ohio, Kentucky và Labrador chỉ ra rằng loài này đã sinh sống xa hơn về phía đông so với các chỉ dẫn trong các ghi chép lịch sử.[3]

Các phân loài (chủng)

Có rất ít sự đồng thuận về phân loại gấu nâu. Một số hệ thống đề xuất nhiều tới 90 phân loài, trong khi phân tích ADN gần đây đã nhận dạng được chỉ năm nhánh.[5] Phân tích ADN cho thấy các phân loài gấu nâu đã nhận dạng được, ở cả Á-Âu và Bắc Mỹ, về mặt di truyền là khá đồng nhất, và địa lý phát sinh chủng loài về mặt di truyền của chúng không tương ứng với phân loại truyền thống của chúng.[6] Vào thời điểm năm 2005, người ta công nhận 16 phân loài.[7] Các phân loài như sau:

• Ursus arctos arctos — Gấu nâu Á-Âu. Phân bố tại châu Âu, Kavkaz, Siberi (trừ phía đông) và Mông Cổ.[8]
• Ursus arctos alascensis:[9] Phân bố tại Alaska.
• Ursus arctos beringianus – Gấu nâu Kamchatka (hay gấu nâu Viễn Đông). Phân bố tại bán đảo Kamchatka và đảo Paramushir.[8]
• Ursus arctos californicus — Gấu vàng Califonia (tuyệt chủng).
• Ursus arctos collaris – Gấu nâu Đông Siberi. Phân bố tại Đông Siberi từ sông Enisei tới dãy núi Altai, cũng có tại miền bắc Mông Cổ.
• Ursus arctos crowtheri – Gấu Atlas (tuyệt chủng)
• Ursus arctos dalli
• Ursus arctos horribilis — Gấu xám Bắc Mỹ. Phân bố tại miền tây Canada, Alaska và tây bắc Hoa Kỳ, trong quá khứ từng sinh sống tại Đại Bình nguyên Bắc Mỹ.
• Ursus arctos isabellinus – Gấu nâu Himalaya. Phân bố tại Nepal, Pakistan và miền bắc Ấn Độ.
• Ursus arctos lasiotus – Gấu nâu Ussuri (hay gấu nâu Amur, gấu xám đen hay gấu ngựa). Phân bố tại Nga: miền nam quần đảo Kuril, Sakhalin, vùng Primorsky và khu vực sông Ussuri/Amur ở phía nam rặng núi Stanovoy, Trung Quốc: đông bắc Hắc Long Giang, Nhật Bản: Hokkaidō.[8]
• Ursus arctos middendorffi — Gấu Kodiak. Phân loài to lớn nhất, cạnh tranh ngang ngửa với gấu trắng Bắc cực như là thành viên to lớn nhất của họ Gấu[10] cũng như trong vai trò của loài săn mồi trên cạn to lớn nhất.[11] Phân bố tại Kodiak, Afognak, quần đảo Shuyak (Alaska).
• Ursus arctos nelsoni — Gấu xám Mexico, (tuyệt chủng ?). Từng phân bố tại miền bắc Mexico, bao gồm Chihuahua, Coahuila và Sonora, tây nam Hoa Kỳ, bao gồm phần phía nam của Texas, Arizona và New Mexico.
• Ursus arctos pruinosus – Gấu lam Tây Tạng. Phân bố tại miền tây Trung Quốc và Tây Tạng.[8]
• Ursus arctos sitkensis. Phân bố tại đảo Baranof.
• Ursus arctos stikeenensis
• Ursus arctos syriacus – Gấu nâu Syria. Phân bố tại khu vực liên Kavkaz, Syria, Iraq, Thổ Nhĩ Kỳ (Tiểu Á), Iran, Afghanistan, miền tây Himalaya và các dãy núi Pamir-Alai và Thiên Sơn,[8] trong quá khứ có lẽ cũng có ở Israel.