黑长臂猿分布于中国（云南）、老挝人民民主共和国和越南。历史记载见于中国广西，甚至远至长江三峡地区，现仅见于云南，呈零星分布。

主要栖于热带雨林和南亚热带山地湿性季风常绿阔叶林，其栖息地海拔约从100-2500米，是已知长臂猿中分布海拔最高的一个种。在云南中部的栖息地气候温凉湿润、终年无雪、霜期短，一年四季都有鲜嫩的树叶、花苞和果实。活动与觅食均在15米高大乔木的树冠层或中层中穿越进行，很少下至5米以下的小树上活动。