La hibernación es una de las facetas mas populares de la vida de los osos. El inicio depende de factores meteorológicos, la disponibilidad de alimento y las características individuales. En general, los machos adultos permanecen activos más tiempo y salen primero de las cuevas, mientras que las osas preñadas son las primeras en entrar y las últimas en salir, ya en compañía de su prole. Antes de hibernar, los osos pasan por un periodo de hiperfagia y consumen grandes cantidades de alimentos de elevado valor calórico, incrementando su capa de grasa para la hibernación. Fisiológicamente, la hibernación de los osos consiste en un estado de dormición o letargia invernal que hace descender su ritmo cardiaco desde 40-50 hasta unas 10 pulsaciones por minuto, el ritmo respiratorio baja a la mitad y la temperatura se reduce en 4 ó 5 grados. El oso deja de comer, beber, defecar y orinar y mantiene las constantes funcionales gracias a la energía proporcionada por las reservas grasas acumuladas en otoño.
La hibernación viene precedida por la búsqueda de una cueva y su acondicionamiento con una cama de hierbas y ramillas. En la Cordillera Cantábrica, casi el 80% de las oseras invernales se encuentran en cuevas y el 20% restante están excavadas en el suelo. Para la ubicación de estos refugios, los osos eligen lugares de vegetación impenetrable y laderas de muy difícil acceso. Los lugares con agrupaciones de oseras y encames diurnos tienen un especial valor de conservación y son áreas críticas para la supervivencia del oso.
Algunas familias de osos cantábricos no hibernan o tienen un sueño invernal muy breve. Para algunas osas con crías, permanecer activas durante inviernos suaves con abundante comida puede ser más rentable energéticamente que hibernar. El desgaste que supone la lactancia para las hembras con crías es enorme. Los osos que llegan al invierno con buena acumulación de reservas grasas (hembras no lactantes, machos y juveniles ya desarrollados) aprovechan mejor las duras condiciones de dicha estación hibernando; en cambio, a los que llegan al invierno con menos reservas grasas (hembras lactantes y jóvenes en crecimiento) puede compensarles mantenerse activos buscando comida, si esta es abundante.