La Lamproie marine se disperse largement en atlantique nord. Sa répartition en milieu marin est fonction de celles des poissons parasités. Elle s’étend à plus de 300 km des côtes et peut atteindre d'importantes profondeurs.
La température de l’eau et le débit des fleuves sont les principaux paramètres déclenchant la migration en rivière, préférentiellement nocturne, après une période de grossissement en mer de 2 ans.
Le choix du cours d’eau ne semble pas être soumis à un phénomène de homing. Toutefois les lamproies sont attirées par la concentration en ammocètes en place via une phéromone attractive que ces dernières relarguent dans leurs fèces. De cette manière plus un cours d’eau est dense en ammocètes, plus il est attractif vis-à-vis des adultes en migration.
Les géniteurs perdent rapidement leur capacité d’osmorégulation après leur entrée en rivière, sachant que la reproduction marque systématiquement la fin de leur vie et qu’aucun retour en mer n’aura donc lieu.