Rozmieszczenie geograficzne lewo|mały|W Kostaryce zamieszkuje L. wiedii glauculus Ocelot nadrzewny występuje w Ameryce, zamieszkując w zależności od podgatunku: L. wiedii wiedii – Brazylia na południe od Amazonki do północnej Argentyny, w tym Peru, Boliwia, Urugwaj i Paragwaj. L. wiedii glauculus – Meksyk przez Amerykę Środkową; dawniej na północ do południowego Teksasu (Stany Zjednoczone), ale teraz tam wymarły (IUCN uważa występowanie ocelota nadrzewnego w USA za niepewne). L. wiedii vigens – północna Ameryka Południowa od Kolumbii po Gujanę i Brazylię na północ od Amazonki.
Zwierzę żyje na wysokości od poziomu morza do 1500 m. Jednakowoż rzadko osięga wysokość 1200 m nad poziomem morza, która to wysokość wyznacza górną granicę zasięgu ocelota wielkiego. Wyżej żyją inne gatunki ocelotów, jak ocelot andyjski, ocelot pampasowy czy ocelot tygrysi.