Autrefois, le lion devait posséder la répartition géographique la plus étalée de tous les mammifères terrestres. Le lion d'Amérique (Panthera leo atrox) était présent du Pérou à l'Alaska pendant tout le pléistocène supérieur, tandis que des cousins occupaient la Sibérie et l'Europe centrale, et d'autres encore étaient répartis entre l'Inde et l'Afrique du Sud. L'étendue de la répartition perd toutefois de son importance à la fin de l'ère de glaciation.
La répartition du lion aux époques historiques, plus restreinte, a cependant été importante. Elle couvrait de grandes parties de l'Afrique, mais aussi l'Europe du Sud ainsi que le Proche-Orient et l'Inde. Jusqu'à l'Antiquité, des lions vivaient encore dans les Balkans, le sud de l'Europe (Panthera leo europaea) ainsi qu'en Anatolie ou au Moyen-Orient, et de nombreux auteurs qui leur étaient contemporains en font rapport (Hérodote, Aristote ou la Bible[21], entre autres). On suppose qu'en Europe, le lion a disparu du fait de l'homme au Ier siècle apr. J.-C..
Aujourd'hui, sa diffusion est largement limitée à l'Afrique subsaharienne. Néanmoins, l'extrême sud de l'Afrique ne compte plus de lions depuis les années 1860, époque de l'extinction du lion du Cap (Panthera leo melanochaita). En Afrique du Nord, le lion de l'Atlas (Panthera leo leo) s'est éteint dans les années 1920. Et de la même manière, les populations de lions d'Asie (Panthera leo persica) ont en quasi-intégralité disparu au XXe siècle. Un dernier groupe de survivants s'est toutefois réfugié dans le parc national de la forêt de Gir dans l'État de Gujarat, en Inde où il ne reste qu'environ 300 spécimens. Les populations significatives de lions africains sont localisées dans les parcs nationaux du Kenya, de Tanzanie et d'Afrique du Sud et se font rares en dehors des zones protégées. Classé comme « vulnérable » par l'Union internationale pour la conservation de la nature (UICN), le lion est exposé à un risque d'extinction.
Les lions ont une grande capacité d'adaptation et de nombreux habitats différents. L'habitat naturel préféré du lion est la savane, mais il figure aussi dans les forêts sèches et les demi-déserts. On ne le trouve toutefois jamais dans les forêts denses et humides ou les déserts arides. Par conséquent, l'espèce manque naturellement dans les forêts tropicales humides centrafricaines et les déserts les plus secs de l'Afrique du Nord et du Proche-Orient.