T. rex régnait dans les plaines fluviales et forêts subtropicales des formations Hell Creek et Lance, un écosystème luxuriant ponctué de cours d'eau serpentins et de végétation dense. Il y côtoyait d'imposants herbivores comme Triceratops, Edmontosaurus et Ankylosaurus, ainsi que d'autres prédateurs de taille moyenne. En tant qu'apex prédateur, il exploitait à la fois la chasse active et le charognage opportuniste, son odorat exceptionnel lui permettant de détecter les carcasses à grande distance.