クマゼミは南方系のセミであり、分布域は南関東、東海、北陸地方と西日本（近畿、中国、四国、九州、南西諸島）である。なお、台湾、中国に分布するという報告もあったが、台湾の記録の多くが近縁のタカサゴクマゼミの誤同定で、中国大陸の分布も疑わしい（中国南部の低山帯では、クマゼミとよく似た声で鳴くマンダリンクマゼミというセミも棲息する）。近畿・九州などの西日本の平地では個体数が多く、都市域でも普通に見られる。
クマゼミに関する謎.
奄美三島の分布空白.
クマゼミは南西諸島にも棲息するが、鹿児島県奄美群島の喜界島、奄美大島、徳之島には従来分布しなかった。周辺の沖永良部島や与論島ではごく普通に見られるが、上述の奄美三島だけが「クマゼミの空白地帯」になっていた。奄美大島と徳之島では後に棲息が確認されたが（喜界島では未発見）、これは人為的移入と見られている。なお、奄美大島ではクマゼミの棲息数が順調に増加しており、島内の色々な地域で鳴き声が聞こえるようになったと報告されている。
この分布空白の謎を、奄美三島における日照時間の少なさをもとに説明するものがある。つまり、地理的に日照時間がかなり少ない奄美大島とその周辺の地域は、ほかのセミと比べて明るい場所を好む陽性的なクマゼミの生息には適していないとする説である。
南関東・北陸におけるクマゼミの増加.
温暖化説.
クマゼミは、大昔の比較的温暖な時期（縄文時代）には南関東の広域で棲息していたが、比較的寒冷な時期（弥生時代以降）になると南関東の大部分で死滅し、冬でも比較的温暖な房総半島南部や三浦半島南端のみで生き残ったとの指摘がある。これは、温暖期には北海道の広域でミンミンゼミが棲息していたが、寒冷期になると冬でも比較的温暖な道南や地熱により局地的に気温の高い屈斜路湖の和琴半島のみに生き残ったのと同じ原理である。そして再び温暖な時期になり、クマゼミの北上・東進が進み、南関東の広範囲でもクマゼミが棲息するようになった。東京都内・北陸の金沢は、北上・東進の最前線域と指摘されている。