Verbreitet ist die Langschwanzkatze in Mittel- und Südamerika östlich der Anden, ihr Verbreitungsgebiet reicht von nördlichen Mexiko bis Uruguay und Argentinien. Ihr Lebensraum sind hauptsächlich Wälder, vorwiegend tropische und subtropische Regenwälder.

Langschwanzkatzen sind ausgezeichnete Kletterer, daher rührt auch der Name Baumozelot. Sie verbringt fast ihr gesamtes Leben in den Bäumen. Die Hinterbeine kann sie so weit einwärts drehen, dass es ihr möglich ist, allein an den Hinterbeinen Halt findend von einem Ast abwärts zu hängen. Sie sind auch die einzige Katzenart, die kopfüber einen Baum hinunterklettern können.

Sie können sowohl am Tag als auch in der Nacht aktiv sein und leben während der meisten Zeit des Jahres einzelgängerisch. Lediglich zur Paarungszeit finden sie sich manchmal zu kurzlebigen Paaren zusammen. Sie sind territorial, die Reviere sind rund 15 bis 43 Quadratkilometer groß.