Rozmieszczenie geograficzne Powojowate wyewoluowały po rozpadzie Gondwany na obszarze współcześnie stanowiącym Madagaskar, subkontynent indyjski i południowo-wschodnią Azję. Współcześnie rodzina ma zasięg kosmopolityczny, ale 90% należących do niej gatunków występuje w strefie międzyzwrotnikowej. Przykładem rodzaju kosmopolitycznego jest kanianka Cuscuta. W strefach umiarkowanych występują rodzaje powój Convolvulus, z centrum zróżnicowania w basenie Morza Śródziemnego, i kielisznik Calystegia najbardziej zróżnicowany w zachodniej części Ameryki Północnej. Bazalny rodzaj Humbertia jest endemitem Madagaskaru. Argyreia występuje w południowo-wschodniej Azji i na Madagaskarze. Tylko w Afryce rosną przedstawiciele rodzajów: Astripomoea, Hildebrandtia, Nephrophyllum. W Afryce i na kontynentach amerykańskich występują: Calycobolus, Neuropeltis, Erycibe i Maripa. Szeroko rozprzestrzenione w tropikach rodzaje: Ipomoea, Merremia, Evolvulus i Jacquemontia mają centra zróżnicowania gatunkowego na kontynentach amerykańskich.
Do flory Polski należy 5 gatunków rodzimych z tej rodziny reprezentujących rodzaje: powój, kielisznik i kanianka.