Thylacosmilus atrox era nativo da América do Sul, particularmente em regiões que hoje são a Argentina e a Bolívia. Evidências fósseis sugerem que esta espécie existiu durante os períodos do final do Mioceno ao Plioceno, aproximadamente entre 9 a 3 milhões de anos atrás.

Thylacosmilus atrox habitava uma variedade de ambientes que incluíam campos abertos e florestas. Durante o final do Mioceno ao Plioceno, o clima nessas regiões era geralmente mais quente e úmido do que é hoje, com uma mistura de áreas semelhantes a savanas e regiões mais densamente vegetadas.

Thylacosmilus atrox ocupava o nicho de um grande predador, semelhante aos grandes felinos modernos. Seu papel ecológico era provavelmente o de um predador de topo, caçando mamíferos herbívoros da época. A estrutura anatômica, incluindo seus caninos em forma de sabre, sugere adaptações para caçar presas grandes em habitats abertos ou semiabertos.