O Chilesaurus diegosuarezi foi descoberto na Região de Aysén da Patagônia, no sul do Chile. Esta região faz parte da região de Magalhães e Antártica Chilena, conhecida por seu registro paleontológico diverso e único.

Durante o período Jurássico Superior, quando o Chilesaurus viveu, a região era caracterizada por um clima temperado com vegetação exuberante, incluindo florestas de coníferas e samambaias. O ambiente era provavelmente úmido com variações sazonais significativas, sustentando uma variedade de flora e fauna.

O Chilesaurus era um dinossauro herbívoro, o que é incomum para terópodes, tradicionalmente conhecidos como carnívoros. Ele ocupava um nicho semelhante ao de outros dinossauros herbívoros, alimentando-se de plantas no sub-bosque e possivelmente pastando em arbustos de baixo nível. A combinação única de características sugere que ele estava bem adaptado a um papel ecológico específico dentro de seu habitat.