Tyrannosaurus sống trong khoảng thời gian được gọi là Lancian (tầng Maastricht) vào giai đoạn cuối của Phấn Trắng muộn, phân bố từ Canada ở phía Bắc cho tới nơi xa nhất là New Mexico ở phía nam Laramidia.[37] Vào thời điểm này, Triceratops là động vật ăn cỏ chính ở phía bắc, trong khi ở phía nam khủng long chân thằn lằn titan Alamosaurus "thống trị". Hóa thạch Tyrannosaurus được tìm thấy tại nhiều hệ sinh thái khác nhau, bao gồm nội địa, cận nhiệt ven biển và đồng bằng bán khô cằn.

Tại thành hệ Hell Creek, người ta đào được một vài mẫu Tyrannosaurus nổi bật. Vào tầng Maastricht, khu vực này có khí hậu cận nhiệt ấm và ẩm ướt. Thực vật đa số có hoa, nhưng cũng có các loài như thủy sam (Metasequoia) hay Araucaria. Trong hệ sinh thái này, Tyrannosaurus sống cùng với Triceratops; khủng long mặt sừng Nedoceratops, Tatankaceratops, Torosaurus; khủng long mỏ vịt Edmontosaurus annectens cùng có lẽ một chi trong Parasaurolophus; khủng long bọc giáp Denversaurus, Edmontonia, Ankylosaurus; khủng long đầu dày Pachycephalosaurus, Stygimoloch, Sphaerotholus, Dracorex; hypsilophodont Thescelosaurus và khủng long chân thú Ornithomimus, Struthiomimus, Orcomimus, Acheroraptor, Dakotaraptor, Richardoestesia, Paronychodon, Pectinodon,, Troodon.[182]

Một thành hệ khác với hóa thạch tyrannosaur là Lance ở Wyoming. Thành hệ này được cho là một môi trường bayou tương tự như vùng duyên hải vịnh ngày nay. Hệ động vật ở đây rất giống với Hell Creek, nhưng chi Struthiomimus thay thế chi chị em Ornithomimus. Chi khủng long mặt sừng Leptoceratops nhỏ cũng sống trong khu vực này.[183]

Ở phía nam Tyrannosaurus sống cùng với loài Titanosauria Alamosaurus; khủng long mặt sừng Torosaurus, Bravoceratops, Ojoceratops; khủng long mỏ vịt gồm một loài trong chi Edmontosaurus, Kritosaurus và có thể Gryposaurus; giáp long xương kết Glyptodontopelta; điểu long trộm trứng Ojoraptosaurus; một sô loài chân thú khả thi như Troodon và Richardoestesia cùng thằn lằn bay Quetzalcoatlus.[184] Địa hình đồng bằng nội địa bán khô cằn được cho là đặc trưng của vùng này khi đường biển Western Interior rút dần do mực nước biển toàn cầu thoái lui.[185]

Tyrannosaurus cũng có thể đã sống ở thành hệ Lomas Coloradas tại Sonora, Mexico. Mặc dù thiếu bằng chứng cốt học, sáu chiếc răng rụng và bị gãy từ tầng hóa thạch này đã được so sánh kỹ với các chi khủng long chân thú khác và dường như giống hệt với Tyrannosaurus. Nếu đúng, bằng chứng cho thấy phạm vi sinh sống của Tyrannosaurus có thể rộng hơn nhiều so với những suy nghĩ trước đây.[186] Có khả năng tyrannosaur bắt nguồn từ châu Á, sau này chúng di cư sang Bắc Mỹ vào cuối kỷ Phấn Trắng.[187]