La especie se reproduce desde el norte de China, las estepas asiáticas y Oriente Próximo hasta Europa occidental y norte de África, donde ocupa fundamentalmente la cuenca del Mediterráneo. Su área de invernada es poco conocida, aunque se sitúa en el África subsahariana.
Se distribuye principalmente por el cuadrante suroccidental de la Península Ibérica, pero también se encuentra en ambas mesetas, Andalucía oriental y el valle del Ebro. Los principales núcleos se hallan en Extremadura, Andalucía, Castilla y León y Castilla-La Mancha. Se han citado algunos individuos invernantes en el valle del Ebro, Castilla y León, Castilla- La Mancha y Extremadura.
Aunque es posible encontrar algunos ejemplares invernantes, el cernícalo primilla es un ave estival en la Península Ibérica. Sus efectivos realizan movimientos premigratorios hacia el norte de la Península antes de iniciar una migración definitiva hacia el sur. Durante su estancia en Aragón, Navarra o norte de Castilla y León la especie puede congregarse en dormideros de varios miles de ejemplares.
Se estima que existen en Europa un máximo de unas 33.000 parejas. La población española, integrada por unas 20.000 parejas, supone, por tanto, una parte muy relevante del contingente europeo. En los años sesenta del pasado siglo se calculaban unas 100.000 parejas de primilla en nuestro territorio. Posteriormente, la especie sufrió un acusado declive, ya que 10 años más tarde se contaban únicamente 20.000-50.000 parejas. En 1989, el primer censo nacional consideró que existían unas 4.293-5.089 parejas, un 5% de las que se estimaron a mediados de siglo.
No obstante, debemos tomar estos datos con ciertas reservas debido, por un lado, a la poca precisión de las estimaciones anteriores y, por otro, a la escasa cobertura espacial y temporal del censo. Aun así, la regresión fue notable en la segunda mitad del siglo XX, como revelan las tendencias de otros países europeos, en algunos de los cuales la especie se ha extinguido. Entre 1994 y 2001 se censaron todas las localidades propicias y se contabilizaron unas 12.000 parejas (aunque se estimaron hasta 20.000). La población ibérica parece haber mantenido una relativa estabilidad en los últimos 15 años, aunque localmente pueden experimentarse aumentos o
disminuciones considerables.