Die Weinrebe ist vom Kaukasus über das Mittelmeergebiet und Mittelfrankreich bis in das südliche Mitteleuropa verbreitet. Nördlich der Alpen hat sie nach dem Ende der letzten Kaltzeit besonders Flussauen im Flach- und Hügelland wiederbesiedelt. Die Art ist durch die Rheinregulierung, forstwirtschaftliche Bewirtschaftung von Auwäldern und gezielte Entfernung der Lianen stark zurückgegangen und vom Aussterben bedroht. In Deutschland kann man die Wildform, die Wilde Weinrebe (nicht zu verwechseln mit dem Wilden Wein), noch vor allem am Rhein (v.a. Pfalz und Rheinland) und in Franken finden. Aus der Wilden Weinrebe hat man die Edle Weinrebe gezüchtet, welche für die Produktion von Tafeltrauben und den Weinbau genutzt wird.

Heutzutage liegen mit dem Rheingau und der Bergstraße zwei Weinbaugebiete in Hessen. Dies war auch vor 47 Millionen Jahren so ähnlich. Die ältesten hessischen Weinrebengewächse wurden in der Grube Messel nachgewiesen. Dazu gehören einige Gattungen, die es heute noch gibt, darunter die Messelweinrebe die zur gleichen Gattung zählt wie die Weinrebe, hinzu kommen der Wilde Wein, Amelopsis und Cayratia. Weitere Gattungen wie Palaeovitis sind ausgestorben. Hinzu kommen bei den Funden mindestens vier Pollentypen von Weinrebengewächsen sowie Blätter. Das die Trauben damals schon geschmeckt haben zeigt das Skelett eines Urpferdchens, welches Reste hiervon im Magen hatte.

Insbesondere Käfer, Fliegen, Wespen und Bienenarten mit mittellangem Rüssel bestäuben die Weinrebe.