250px|mały|Puszczyk mszarny we francuskim zoo Występowanie Strefa tajgi od Norwegii do pacyficznych wybrzeży Syberii i Sachalinu, na południu po północną Mongolię i północno-wschodnie Chiny, a także północna część Ameryki Północnej (Alaska, Kanada i zachodnie USA)Stajszczyk M., 2013: Mszarny w ekspansji. „Ptaki Polski”, nr 2/2013, s. 19.. Osobna populacja, oddalona o około 400–500 km od głównego zasięgu, znajduje się na ukraińskim i białoruskim Polesiu; z niej pochodzą osobniki od 2010 roku gniazdujące w Polsce.
W Polsce po 1945 roku obserwowano rzadko zalatujące ptaki z białoruskiej części Puszczy Białowieskiej, rzadko spotykany tam do dziś. W 2008 roku zaobserwowany został na Śląsku, a w roku 2010 doszło do stwierdzenia pierwszych w kraju lęgów w Lasach Sobiborskich na Polesiu Lubelskim; w roku 2012 gniazdowało na tym terenie już co najmniej 8 par, gatunek ten gniazdował tam także w roku 2013Stajszczyk M., 2013: Mszarny w ekspansji. „Ptaki Polski”, nr 2/2013, s. 18.. Ze względu na coraz częstsze przypadki lęgów puszczyka mszarnego w Polsce prognozuje się, że poza Polesiem Lubelskim populacja tych sów może skolonizować Puszczę Solską i Lasy Janowskie, jak również Podlasie i Bagna Biebrzańskie.