Stor lyngheifly er utbredt ved Middelhavet, og langs kystene av Vest- og Nord-Europa. Mot øst går den til Irak og det vestlige Iran. I Norge er den temmelig vanlig langs kysten fra Lista i sør til Ålesund i nord. Det finnes noen få funn lenger øst på Sørlandet, østover til Arendal. Den er dermed et av relativt få norske insekter som har en vestlig utbredelse i Norge, trolig fordi de overvintrende larvene ikke tåler lave vintertemperaturer.