Hóa thạch Allosaurus chiếm 70 - 75% số mẫu vật khủng long chân thú được tìm thấy tại thành hệ Morrison;[2] và do đó là bậc dinh dưỡng cao nhất trong chuỗi thức ăn của thành hệ này.[3] Bản thân Morrison là một vùng đá rộng 1.5 triệu km2 nằm ở phía Tây Hoa Kỳ, với kiểu khí hậu đặc trưng là nửa khô hạn, 2 mùa mưa, khô rõ rệt cùng các bãi bồi bằng phằng.[4] Thảm thực vật tại đây thay đổi từ các rừng thông, dương xỉ mộc, dương xỉ dọc theo sông; cho đến các xavan dương xỉ xen lẫn vài cây khác như chi thông đã tuyệt chủng dạng bách tán Brachyphyllum.[5]

Thành hệ Morrison là một trong những nơi giàu hóa thạch nhất Bắc Mỹ. Rất nhiều loài động thực vật cổ đại đã được tìm thấy tại đây, gồm, thực vật: tảo lục Chlorophyta, nấm, rêu, mộc tặc, dương xỉ, tuế, bạch quả cùng vài họ thông; động vật: các loài thân mềm hai mảnh, ốc, cá vây tia, động vật lưỡng cư không đuôi và có đuôi, rùa, động vật đầu mỏ, thằn lằn, các loài crocodylomorpha trên cạn và dưới nước, vài dực long, nhiều loại khủng long và một số bộ thú thủy tổ như Docodonta, Multituberculata, Symmetrodonta và Eutriconodonta. Khủng long tại đây có khủng long chân thú Ceratosaurus, Ornitholestes, Torvosaurus; chân thằn lằn Apatosaurus, Brachiosaurus, Brontosaurus, Camarasaurus, Diplodocus; và hông chim Camptosaurus, Dryosaurus, Stegosaurus.[6] Hóa thạch Allosaurus thường nằm chung một nơi với Apatosaurus, Camarasaurus, Diplodocus, và Stegosaurus.[7]

Không chỉ ở Mỹ, Allosaurus còn được tìm thấy tại Bồ Đào Nha. Các thành hệ niên đại Jura Muộn này cũng có những nét tương tự như thành hệ Morrison, có điều chúng mang ảnh hưởng của đại dương nhiều hơn. Nhiều chi khủng long trong thành hệ Morrison cũng là những chi được tìm thấy trong các thành hệ Bồ Đào Nha (chủ yếu là Allosaurus, Ceratosaurus, Torvosaurus, và Apatosaurus), hoặc là họ hàng gần của chúng (Brachiosaurus so với Lusotitan, Camptosaurus so với Draconyx).[8]

Ở cả hai thành hệ trên, Allosaurus tồn tại song song cùng với 2 chi khủng long chân thú ăn thịt lớn khác là Ceratosaurus và Torvosaurus.[8] Dựa trên các đặc điểm giải phẫu học và vị trí hóa thạch của 3 chi này, người ta nghĩ chúng có các tổ sinh thái khác nhau. Ceratosaurus và Torvosaurus dường như thích hoạt động gần các rạch nước. Với cơ thể thấp, ốm, chúng có lợi thế trong địa hình rừng và bụi cây thấp. Trái lại, Allosaurus chắc nịch hơn, chân dài hơn, nhanh hơn nhưng không linh hoạt bằng, có vẻ thích hợp hơn với địa hình bãi bồi khô.[9] Sọ Ceratosaurus thì cao và hẹp, còn răng của chúng thì lớn và rộng hơn Allosaurus.[10]Đây là một trong những đặc điểm giải phẫu học dễ nhận biết để phân biệt 2 chi này. Thịt Allosaurus cũng có thể được các loài khủng long khác tiêu thụ, như dấu răng trên xương mu của một mẫu Allosaurus cho thấy, có thể là của Ceratosaurus hay Torvosaurus. Vị trí của xương này (một trong những phần cuối cùng của thân và được che chắn một phần bởi chân), cùng với thực tế rằng nó là một trong những phần cứng nhất trong bộ xương, cho thấy rằng con Allosaurus này đã chết và đang bị (các) cá thể khủng long ăn xác thối ăn.[11]