Penyu Tempayan mempunyai distribusi kosmopolitan, berbanding spesies penyu lain. Mereka mendiami sekitar Lautan Atlantik, Laut Hindi, dan Lautan Pasifik serta Laut Mediterranean.[16]

Di Lautan Atlantik, kebanyakan Penyu Tempayan mendiami sepanjang tenggara perairan Amerika utara dan Teluk Mexico. Hanya sedikit dijumpai berada di sepanjang Eropah dan perairan Afrika.[17] Florida menjadi pusat pembiakan utama, dengan lebih 67,000 sarang dibina setahun. Selain itu, kawasan sarangnya juga dijumpai dari utara Virginia, hinggalah sejauh ke selatan, Brazil, serta ke kawasan timur, Cape Verde Islands. Kepulauan Cape Verde menjadi pusat pembiakan utama dari sebelah timur, Atlantik.

Di Laut Hindi, Penyu Tempayan mencari makan sekitar perairan Afrika, Semenanjung Arab, dan sepanjang Laut Arab.[18] Di sepanjang perairan Afrika, penyu ini membina sarang di Kepulauan Bazaruto, Mozambique hingga ke muara St Lucia di selatan Afrika .[19] Selain itu, kawasan sarang utamanya dari Laut Hindi terletak di Oman, berhampiran Semenanjung Arab, iaitu terdapat lebih 15,000 sarang, menjadikan ia pusat pembiakan Penyu Tempayan kedua terbesar di dunia. Manakala, di Australia barat, sekitar 1,000–2,000 sarang dihasilkan setahun[18]

Penyu tempayan Pasifik tinggal di kawasan bersuhu tropika.[19] Mereka mencari makanan sehingga ke Laut China Selatan, barat daya Lautan Pasifik, dan sepanjang Semenanjung Baja California. Timur Australia dan Jepun terdapat Terumbu Sawar Besar yang menjadi kawasan bertelur utama.[20] Penyu tempayan Pasifik biasanya membina sarang telurnya di Vanuatu dan Tokelau. Pulau Yakushima ialah kawasan penting, dengan tiga tapak sarang yang sering dikunjungi oleh 40% Penyu tempayan sekitarnya.[18] Selepas bertelur, penyu betina akan mencari kawasan kediaman habitatnya di Laut China Selatan, sementara wilayah Kuroshio menjadi tempat penyu-penyu muda mencari makanan.[19] Populasi dari timur Pasifik pula lebih tertumpu di perairan Baja California, tempat yang mempunyai sumber tumbuh-tumbuhan bagi penyu muda. Kawasan sarang bertelurnya ialah sepanjang timur Lembangan Pasifik. Kajian jujukan analisis polimorfisme mtDNA menyatakan 95% daripada populasi di sepanjang perairan Amerika menetas di Kepulauan Jepun di barat Pasifik.[21] Penyu yang berhijrah berdasarkan angin yang merentasi utara Pasifik, adalah satu daripada jalan migrasi terpanjang yang diambil oleh haiwan marin.[21] Perjalanan kembali ke pantai Jepun telah dijangka, walaupun laluan itu terpaksa melalui air jernih yang tiada sumber makanan.[22] Bukti perjalanan kembali datangnya dari seekor penyu betina yang digelar Adelita, pada tahun 1996, yang dilengkapi dengan alat penjejak satelit, telah membuat perjalanan sejauh 14,500 km (9,000 mi) iaitu dari Mexico melalui Lautan Pasifik. Adelita ialah haiwan pertama yang dijejaki melalui lembangan lautan.[23]