Zimuje w zachodniej i środkowej Afryce na południe od Sahary i zwykle na północ od równika.
W Europie jej centrum areału znajduje się w zachodniej i w północnej części kontynentu, a we wschodnich i środkowych występuje na tych samych terenach, co muchołówka białoszyja. Przypuszcza się, że oba gatunki wywodzą się z pierwotnego przodka z okresu lodowcowego, któremu czwartorzędowy lądolód stworzył barierę w areale, na jakim żył. W ten sposób we wschodniej Europie utworzył się gatunek muchołówki białoszyjej, a na zachodzie – żałobnej. Obecnie na obszarze współwystępowania dochodzi do procesu odwrotnego. W Europie Środkowej tworzą się krzyżówki, mieszane pary obu gatunków (ze względu na ich współwystępowanie na tych terenach), które bez problemów wychowują pisklęta. W trakcie wyboru partnera nie ma zatem utrwalonych mechanizmów izolacyjnych, które by ograniczały się do jednego gatunku muchołówki. Mieszanego samca rozpoznaje się po śpiewie, który łączy w sobie elementy obu gatunków. W rozpoznaniu pomaga też ubarwienie – niepełna biała obroża na szyi.
Muchołówki żałobne z Niemiec, Czech i Polski mają nieco inną barwę niż pozostałe populacje – samce są z wierzchu szarobrązowe i przypominają samice.