La répartition géographique de l'espèce est définie par ses exigences écologiques qui sont de quatre ordres : exigence en lumière, chaleur, humidité et refus des sols calcaires. Le chêne-liège est une essence héliophile, c'est-à-dire de pleine lumière et exigeant une forte insolation. La cohabitation avec d'autres essences à la cime peu compacte - tels que le pin maritime (Pinus pinaster Ait.) ou le pin parasol (Pinus pinea L.) - est possible, mais c'est en peuplement pur, voire en lisière des parcelles qu'il se développera le mieux (fournissant alors par la même occasion une protection contre le vent grâce à la robustesse de son système racinaire). Le chêne-liège est thermophile : Il pousse donc sous des climats tempérés (températures moyennes annuelles comprises entre 13 et 16°C) à hivers doux, car il craint les fortes gelées persistantes et a besoin d'une période de sécheresse en été pour prospérer (on peut observer des lésions irréversibles sur les feuilles à partir de -5 °C). En France, cela limite sa distribution à une altitude de 700 m et en deçà du 44e parallèle. Mais il peut monter jusqu'à 1000 m dans les régions chaudes (Andalousie, Maghreb), voire 2000 m dans l'Atlas marocain. L'humidité est également un facteur limitant, car bien qu'étant xérophile, le chêne-liège nécessite une humidité atmosphérique d'au moins 60%, même en saison sèche, et d'une pluviométrie allant de 500 à 1200 mm par an. Ces conditions ne se rencontrent que près de la mer en région méditerranéenne, et jusqu'à 200 ou 300 km à l'intérieur des terres sur la façade atlantique. Ces exigences varient néanmoins selon les particularités des stations qu'il colonise : exposition (nord/sud), topographie (sommet, fond de vallon), proximité de la mer, ... Le dernier facteur n'est pas le moindre, il s'agit du sol. Le chêne-liège est une espèce calcifuge stricte se plaisant sur tous les substrats siliceux et acides (schistes, grès, gneiss, granite) et craignant l'hydromorphie. Il s'accommode de sols peu fertiles, superficiels ou lourds (riches en argiles), mais recherche plutôt des textures légères (sables), biens aérées et riches en matière organique.
