A. altissima est originaire du nord et du centre de la Chine, de Taiwan et du nord de la Corée. A Taïwan, il n'existe que comme var. takanai. En Chine, on le trouve dans toutes les provinces sauf le Gansu, le Heilongjiang, le Hainan, le Jilin, le Ningxia, le Qinghai, le Xinjiang et le Tibet.
L'arbre préfère les sols humides et argileux mais peut s'adapter à une très large gamme de conditions de sol et de valeurs de pH. Il est résistant à la sécheresse (on l'a utilisé pour lutter contre l'érosion autour de la mer Noire et dans les régions montagneuses du Maroc) mais il ne tolère ni les inondations ni l'ombre épaisse. En Chine, on peut toutefois le trouver souvent sur des sols riches en calcaire. On le rencontre dans un large éventail de conditions climatiques. Dans son aire de répartition naturelle, on le trouve aussi bien sur les hauts plateaux de Taiwan que dans les plaines de la Chine continentale. Aux États-Unis, on le voit dans les régions arides bordant les Grandes Plaines, les régions très humides du sud des Appalaches et les zones froides au pied des montagnes Rocheuses. Le froid prolongé et la neige provoquent son dépérissement mais l'arbre repousse du pied.
Les premières introductions de A. altissima dans des pays situés hors de son aire d'origine ont été faites dans les zones sud de la Corée ainsi que vers le Japon. Il se pourrait toutefois que l'arbre soit originaire de ces régions, mais il est généralement admis que l'arbre y a été introduit de façon très précoce. En Chine même, il a également été naturalisé au-delà de son aire d'origine dans des régions comme le Qinghai, le Ningxia et le Xinjiang.
En 1784, peu de temps après que Jussieu ait envoyé ses graines en Angleterre, quelques unes ont été transmises aux États-Unis à William Hamilton, un jardinier de Philadelphie. En Europe et en Amérique, A. altissima est rapidement devenu un arbre d'ornement apprécié, en particulier en bordure de rue, et en 1840 il était disponible dans la plupart des pépinières. L'arbre a été introduit séparément en Californie dans les années 1890 par des immigrants chinois qui sont venus pendant la ruée vers l'or en Californie. Il a échappé à tout contrôle de culture dans toutes les régions où il a été introduit, surtout aux États-Unis. Il s'est naturalisé dans presque toute l'Europe, comme en Europe occidentale où il est présent en Grande-Bretagne, Belgique, France (forêt de Fontainebleau, Marquenterre, côtes méditerranéennes) et Allemagne, Autriche, Suisse, en région pannonienne (sud de l'Europe depuis l'Italie et la Hongrie jusqu'en Bosnie-Herzégovine) et dans la plupart des pays du bassin méditerranéen. Ailanthus a également été introduit en Argentine, Australie (où il a été classé comme espèce envahissante en Nouvelle-Galles du Sud et au Victoria), en Nouvelle-Zélande (où il est répertorié par l'Accord national de lutte antiparasitaire des végétaux comme plante « indésirable »), au Moyen-Orient et dans certains pays d'Asie du Sud tels que le Pakistan.
En Amérique du Nord, A. altissima est présent sur la côte est depuis le Massachusetts jusqu'au sud de l'Ontario, du sud-ouest de l'Iowa et du sud du Texas au nord de la Floride. Sur la côte ouest, on le trouve de l'ouest du Nouveau-Mexique à la Californie et à l'État de Washington Dans l'est de son aire de répartition il pousse surtout dans les zones perturbées des villes, où il a été longtemps présent dans les rues arborées. Il se développe également le long des routes et des chemins de fer. Par exemple, une étude réalisée en 2003 en Caroline du Nord trouve qu'il est présent sur 1,7 % des bordures de voies de chemin de fer et de route et qu'il étend son territoire de 4,76 % par an. De même, un autre étude menée dans le sud-ouest de la Virginie a déterminé qu'il est présent sur environ 30 % des routes principales de l'état. Il envahit parfois de zones non restucturées et entre en concurrence avec les plantes indigènes. Dans l'ouest de l'Amérique du Nord, il est surtout présent dans les régions montagneuses autour des anciennes habitations et des mines abandonnées.