生物碱主要分布于植物界，在动物界中少有发现。其广泛分布于各种中药中，是许多中药的主要有效成分。
生物碱绝大多数存在于双子叶植物中，已知有50多个科的120多个属中存在生物碱。与中药有关的典型的科有毛茛科(黄连属黄连，乌头属乌头、附子)、防己科(汉防己、北豆根)、罂粟科(罂粟、延胡索)、茄科(曼陀罗属洋金花、颠茄属颠茄、莨菪属莨菪)、马钱科(马钱子)、小檗科(三棵针)、豆科(苦参属苦参、槐属苦豆子)等。单子叶植物也有少数科属存在生物碱，如石蒜科、百合科(贝母属的川贝母、浙贝母)、兰科等。少数裸子植物如麻黄科、红豆杉科、三尖杉科和松柏科也存在生物碱。低等植物中仅发现极个别的存在生物碱，如烟碱存在于蕨类植物中，麦角生物碱存在于菌类植物中。地衣、苔藓类植物中仅发现少数简单的吲哚类生物碱。藻类、水生类植物中未发现生物碱。
生物碱在植物体内多数集中分布于某一器官或某一部位，如金鸡纳生物碱主要分布在金鸡纳树皮中;麻黄生物碱在麻黄髓部含量高;黄柏生物碱主要集中在黄柏树皮中;三棵针生物碱主要集中在根部，尤以根皮中含量最高。
生物碱在不同的植物中含量差别也很大，高者可达百分之十几，低者仅含百万分之几，甚至千万分之几。如黄连根茎中含生物碱7%以上，金鸡纳树皮中生物碱含量为1.5%，长春花中长春新碱的含量为百万分之一，而抗癌成分美登素在卵叶美登木中仅为千万分之二。
同科同属的植物常含有相同结构类型的生物碱。通常，在同一植物中结构相似的多种生物碱共存，其中常以一种或两种含量较高。生物碱极少与萜类和挥发油共存于同一植物中。
生物碱在植物体内，除了以酰胺形式存在外，仅少数碱性极弱的生物碱以游离形式存在，如那可丁(narcotine)。绝大多数生物碱是以有机酸盐形式存在，如柠檬酸盐、草酸盐、酒石酸盐、琥珀酸盐等。少数以无机酸盐形式存在，如盐酸小檗碱、硫酸吗啡等。尚有极少数以Ⅳ一氧化物、生物碱苷等形式存在。
