Se conocen fósiles de C. megalodon procedentes de diferentes partes del mundo, que incluyen a Europa, América del Norte, América del Sur,Puerto Rico,Cuba, Jamaica,Australia, Nueva Zelanda, Japón, África, Malta, Granadinas, Islas Canarias, e India.  Algunos dientes de C. megalodon se descubrieron en regiones muy alejadas de los continentes (por ejemplo, en la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico).

Aunque los restos más antiguos de C. megalodon fueron reportados de estratos del Oligoceno tardío, hace cerca de 28 millones de años. una fecha más aceptada para el origen de la especie es durante el Mioceno Medio, hace unos 15.9 millones de años.A pesar que el registro fósil de C. megalodon por lo general está ausente en estratos posteriores al límite superior del Terciario, existe registro más reciente en estratos del Pleistoceno. Se cree que C. megalodon se extinguió en el final del Plioceno, probablemente hace unos 2.6 millones de años;se piensa por lo tanto que los dientes post-pliocénicos reportados de C. megalodon son en realidad fósiles reelaborados.