Überreste von Säbelzahnkatzen wurden bislang auf allen Kontinenten mit Ausnahme von Australien und der Antarktis gefunden. Die ältesten Funde sind etwa 10 Millionen Jahre alt. In Europa sind die Tiere mit der Gattung Homotherium bis vor rund 30.000 Jahren aus dem Gebiet der heutigen Nordsee, die damals trocken lag, nachgewiesen. In Nordamerika verschwanden vor etwa 10.000 Jahren die beiden Gattungen Smilodon und Homotherium fast zeitgleich. Grund für das plötzliche Verschwinden dieser Gattungen könnte der Aufprall von einem Meteoritenschwarm gewesen sein, der somit auch Auslöser des «Jüngeren Dryas» wäre, wie es eine US-amerikanische Forschergruppe herausfand. In Afrika und Südasien starb die letzte dort heimische Säbelzahnkatze Megantereon schon erheblich früher, vor etwa 500.000 Jahren, aus. Fossilien von Säbelzahnkatzen wurden auch in Deutschland entdeckt. Aus dem Miozän stammen die Funde von Eppelsheim und Dorn-Dürkheim, aus dem Eiszeitalter die Funde von Neuleiningen bei Grünstadt, Würzburg und Elz (Landkreis Limburg-Weilburg).

Bevor Smilodon im Pliozän Südamerika über die mittelamerikanische Landbrücke erreichte, gab es dort Tiere, die den Säbelzahnkatzen mit ihren extrem langen Eckzähnen verblüffend ähnlich sahen. Sie gehörten zur Gattung Thylacosmilus, waren aber mit den Säbelzahnkatzen nicht verwandt, sondern gehörten zu den Beuteltieren. Sie starben mit der Ankunft der echten Säbelzahnkatzen aus. Das Prinzip der überlangen Eckzähne hat sich also neben den Scheinsäbelzahnkatzen aus der Familie Nimravidae ganz unabhängig ein drittes Mal entwickelt. Auch bei einigen frühen säugetierähnlichen Reptilien, die vor den Dinosauriern lebten, bildeten sich Formen mit langen Säbelzähnen aus, etwa Inostrancevia.