Il est présent sur la majeure partie de l'Europe et de l'Asie, jusqu'au Japon. Cependant il est absent des iles méditerranéennes européennes, et des régions les plus au sud, majorité de l'Espagne et du Portugal, sud de l'Italie et de la Grèce, comme des pays nordiques (Danemark, Suède, Norvège, Pologne, nord de l'Allemagne).
Le petit Mars Changeant est présent dans tous les départements de France métropolitaine excepté la Corse et les deux départements du Finistère et des Côtes-d'Armor.
Cette espèce fait partie d'un groupe de 35 papillons européens pour lesquels les écologues disposaient de données jugées suffisantes pour évaluer les éventuels déplacements de leurs aires de répartition en Europe Sur ces 35 papillons étudiés, Apatura ilia a fait figure d'exception : c'est la seule espèce qui ait vu les limites nord de son aire légèrement descendre vers le sud (alors que sa limite-sud restait stable).
Biotope
Le petit Mars Changeant ne prospère que dans des bois à bonne naturalité, des forêts ou des lisières de clairières intérieures.
Menaces sur son biotope
Certaines de ses plantes-hôtes sont en régression au profit de clones de peupliers industriels cultivés en peupleraies plus exposées au vent, à la lumière et à la déshydratation que les forêts naturelles. Ces milieux sont également de plus en plus écologiquement fragmentés ou insularisés. Localement au moins, l'espèce pourrait être vulnérable au recul des peupliers sauvages autochtones et à l'intensification de la sylviculture (mise en culture, drainage, exploitation industrielle...), ainsi qu'aux climatiques locales et globales).
Protection
Le petit Mars Changeant n'est pas protégé au niveau européen. Il est protégé dans certains pays, en particulier liste rouge en Autriche et en Allemagne en Bade-Wurtemberg et en Saxe.