Selon GLUTZ et BAUER (1980), l’aire de répartition du martinet noir comprend l’Afrique du Nord, l’Europe, l’Asie Mineure, le nord-ouest de l’Asie et l’Asie centrale, le sud-est de la Russie jusqu’à la rivière Olekma et aux montagnes de Nertchinsk, la Mongolie et le nord-est de la Chine jusqu’à la chaîne du Grand Khingan et aux provinces de Liaoning et de Shandong. Deux sous-espèces peuplent cette zone. Légèrement plus petit et plus clair, le A. a. pekinensis (SWINHOE 1870) se distingue du taxon nominal Apus a. apus (Linné 1758). On le trouve au sud-est de cette zone, de l’Iran jusqu’à la rivière Olekma (sud-est de la Russie), et jusqu’au nord-est de la Chine. Les deux sous-espèces hivernent en Afrique tropicale et jusqu’au sud de l’Afrique.
L’aire de nidification du martinet noir comprend les îles Britanniques, à l’ouest, et plus au sud, les côtes atlantiques du nord-ouest de l’Afrique, le Maghreb et le Bassin méditerranéen, le sud de l’Asie Mineure, Chypre et le Proche-Orient (le nord-ouest de la Syrie jusqu’à la Palestine); elle s’étend à l’est jusqu’au lac Baïkal, qui constitue la limite sud avec la Transcaucasie, le delta de l’Emba et le 49ème parallèle nord, au Kazakhstan, en direction du lac Saissan. Au Nord, le martinet noir apparaît de manière sporadique jusqu’au 67ème parallèle environ (en Norvège) et il est présent dans toute la Suède, jusqu’aux comtés de Jämtland et de Västerbotten. En Laponie suédoise et finlandaise, et plus au nord, jusqu’au Pasvikdal, à la pointe sud-est du comté de Finnmark (Norvège), le martinet noir est parfois observé, mais sa présence reste rare. La limite nord commence approximativement au 68ème parallèle, sur la presqu’île de Kola, traverse la région d’Arkhangelsk, descend en direction du 66° parallèle au niveau du fleuve Petchora, puis en direction du 62ème parallèle dans l’Oural, remonte vers le 63ème parallèle à la hauteur du fleuve Ob, pour redescendre ensuite sur le 57° parallèle au niveau du Ienisseï jusqu’au lac Baïkal (GLUTZ et BAUER, 1980).
La densité de population est très variable selon les régions. Ainsi, la Yougoslavie, l’Albanie, la Grèce, la Bulgarie et la Roumanie, de même que la Hongrie pour une large part, ne font pas partie de l’aire de nidification du martinet noir, qui, en outre, délaisse largement le Jutland du nord et de l’ouest (Danemark), tout comme la côte de la mer Noire côté turc (GLUTZ et BAUER, 1980). Dans le reste de l’Europe, l’Apus apus se rencontre à moins de 1000 mètres d’altitude, principalement dans les zones urbaines.
Le martinet noir, qui nichait autrefois dans les falaises, privilégie les constructions en pierre (immeubles, églises, tours, forts, ruines, usines, entrepôts, gares). Il utilise également les petites cavités présentes sous les toits et les faîtes des bâtiments anciens, mais peut, de manière occasionnelle, établir son nid dans certaines constructions modernes. Plus aucun martinet, ou presque, ne niche dans les falaises, et rares sont les colonies qui nichent dans les arbres. Dans l’ex-R.D. A., l’effectif de couples nicheurs est estimé à 430 000 environ (RHEINWALD, 1993), et à près de 110 000 dans le reste de l’Allemagne (NICOLAI, 1993). Ces chiffres comportent toutefois une marge d’incertitude importante. L’Europe – sans compter la Russie – abriterait entre 3,9 et 4,9 millions de couples, la Russie, entre 1 et 5 millions, et la Turquie au maximum 500 000 (HAGEMEIJER et BLAIR, 1997).
