Sabe-se que Allosaurus fragilis viveu durante o período Jurássico Superior, aproximadamente 155 a 145 milhões de anos atrás. Evidências fósseis sugerem que esse dinossauro era principalmente nativo do que hoje é o oeste da América do Norte, incluindo regiões como a Formação Morrison, que abrange partes dos Estados Unidos, incluindo Colorado, Wyoming, Utah e Novo México. Evidências adicionais também sugeriram potenciais habitats em Portugal, indicando uma distribuição mais ampla em partes do que então era o supercontinente Laurasia.

Durante o Jurássico Superior, as regiões habitadas por Allosaurus fragilis eram caracterizadas por um clima semiárido com estações úmidas e secas distintas. O ambiente era semelhante a uma savana, com florestas abertas, florestas ribeirinhas e uma variedade de vida vegetal incluindo coníferas, cicadáceas e samambaias. Essa paisagem proporcionava um ecossistema rico com presas abundantes.

Allosaurus fragilis era um predador de topo e desempenhava um papel crucial em seu ecossistema como um dinossauro carnívoro. Provavelmente se alimentava de grandes dinossauros herbívoros como estegossauros e saurópodes. Seu nicho ecológico envolvia ser um predador de ápice, utilizando suas adaptações físicas, como dentes afiados e membros poderosos, para caçar e procurar comida. Pode ter exibido comportamentos sociais, possivelmente caçando em grupos para derrubar presas maiores.