Zimuje w północno-wschodniej i wschodniej Afryce, oraz od Bliskiego Wschodu przez Azję Południową i Południowo-Wschodnią po Chiny, Tajwan, Koreę i południową Japonię.
Do Polski zalatuje rzadko przeważnie w kwietniu i maju, a rzadziej jesienią, pomimo że gniazduje u naszych południowych sąsiadów (do końca 2023 roku odnotowano łącznie 154 stwierdzenia, w trakcie których obserwowano 159 osobników; miały one miejsce głównie na południu kraju). W Europie Środkowej pary lęgowe występują (stan w 2015 roku): w Austrii (6–11 par), Czechach (1–2 pary), na Węgrzech (125–160 par) i Słowacji (35–40 par).
Zapis kopalny potwierdza jego istnienie już w plejstocenie. Skamieniałości orła cesarskiego odkryto w osadach ze środkowego plejstocenu w Austrii i Azerbejdżanie oraz w osadach z późnego plejstocenu w Austrii, Szwajcarii, na Węgrzech, w Rumunii i Gruzji. W Polsce jego skamieniałości odkryto w Jaskini na Biśniku.