De boomkikker komt in vrijwel geheel Europa voor en ook in een klein deel van aangrenzend Azië. De noordelijkste vindplaatsen liggen in Denemarken en het uiterste zuiden van Zweden. De noordwestgrens van het areaal loopt door Nederland. De oostgrens loopt door het uiterste zuiden van Litouwen, door Wit-Rusland en Rusland tot de Oeral en tot over de Kaukasus tot in Noord-Turkije. De zuidgrens loopt van Zuid-Portugal via Midden-Spanje, door het zuiden van Midden-Frankrijk en via de Alpenlanden naar de Balkan. Ook diverse Griekse eilanden zijn bezet. Een aantal Nederlandse populaties in Zeeland, Gelderland en Overijssel staat in contact met populaties in België of Duitsland.

De soort ontbreekt van nature geheel in Groot-Brittannië, Ierland, IJsland, Noorwegen en Finland. In Groot-Brittannië hebben introducties plaatsgevonden, die echter niet tot duurzame vestiging hebben geleid (Beebee & Griffiths 2000).

Het overgrote deel van het areaal wordt bezet door de nominaatvorm (Hyla arborea arborea). Op het Iberisch schiereiland komt H. a. molleri voor, in delen van Griekenland en westelijk Klein-Azië H. a. kretensis en in de Kaukasus H. a. schelkownikowi. In Noord-Europa is de boomkikker een laaglandsoort die gewoonlijk onder de 500 meter voorkomt. In de Alpen loopt dit op tot 800 meter. De hoogste vindplaats ligt in Bulgarije op 2300 meter (Gasc et al. 1997).

Naast Hyla arborea komen in Europa nog enkele, soms sterk gelijkende soorten voor, te weten de Italiaanse boomkikker (H. intermedia), Tyrrheense boomkikker (H. sarda) en de mediterrane boomkikker (H. meridionalis) (Arnold 2002, Gasc et al. 1997, Sindaco et al. 2006).