最古老的水杉屬植物化石出現于中生代白堊紀沉積地層，當時這一類植物約有10種，廣泛分布于北半球。

到第三紀早期它們由南向北遷移，到達北極地區，其后由于氣候的巨大變化,又向南遷移,在亞洲東部到達中國的東北、朝鮮、日本。但經過第四紀冰期以后，它們幾乎全部絕滅。

20世紀40年代，中國科學家在中國的四川、湖北和湖南邊境發現尚有留存，并加以鑒定，使這個曾被認為早已在世界上絕跡的“孑遺植物”迅速傳播于世界，被譽為“活化石”。

水杉的原產地在湖北省利川縣、四川省石柱縣和湖南省龍山縣相鄰的地區，集中分布在利川縣西部的小河鎮周圍,方圓僅600平方公里的局限范圍內有5000余顆水杉母樹。

現栽培范圍已擴大至北起北京、遼寧南部，南及廣東和廣西、云貴高原，東臨東海、黃海之濱和臺灣,西至四川盆地的遼闊地區,并已成為長江中下游平原地區的重要造林樹種；同時已被引種至亞、非、歐、美等50多個國家和地區。目前世界上最大的人工水杉樹林在湖北省境內潛江市。