La distribuzione "fisiologica" dell'enzima TdT è ristretta alle cellule in cui svolge il suo ruolo, e quindi nei precursori dei linfociti B e dei linfociti T, nel midollo osseo e nel timo, rispettivamente. 

L'enzima TdT è espresso esclusivamente durante gli stadi precoci della differenziazione dei linfociti ed è esclusivamente riscontrato negli organi "centrali" dell'immunità, il midollo osseo ed il timo, dove i precursori normalmente risiedono, anche durante la vita adulta. 

Non si osservano mai elementi con genuina espressione nucleare di TdT nel sangue periferico e negli organi linfoidi periferici. . La presenza di cellule con TdT nucleari in tessuti periferici è da considerare diagnostica, o perlomeno fortemente sospetta, per localizzazione di processo linfoblastico.  La TdT non è espressa da precursori di linee mieloide, eritroide o megacariocitaria, o in precursori di qualsiasi tessuto, comprese le cellule germinali. 

Midollo osseo

Nei mammiferi il midollo osseo rappresenta il sito primario della linfopoiesi dopo la nascita,  fornendo i precursori delle cellule capaci di formare anticorpi (la linea B), necessari per l'immunità umorale. L'identificazione di questi precursori è resa possibile dall'individuazione, quale marcatore sensibile e specifico, della TdT. Mediante analisi in immunofluorescenza è stato possibile dimostrare che i precursori B nel midollo normale rappresentano 1-2% della cellualrità midollare, con percentuali maggiori nel midollo infantile (2-7% a 0-5 anni di età), nel midollo rigenerante e dopo trapianto di midollo.

Con analisi immunoistologica effettuata con anticorpi specifici per TdT, in immunofluorescenza, su biopsia osteomidollare si dimostrano solo rari, elementi con positività nucleare, senza particolare localizzazione.

Timo

I timoci, i precursori dei linfociti T, si sviluppano e maturano nel timo, all'interno di un complesso microambiente formato da varie componenti cellulari, tra cui cellule epiteliali timiche (corticali e midollari), cellule dendritiche interdigitate e più rare cellule di Langerhans (prevalentemente nella midollare), cellule linfoidi B (nella midollare), macrofagi, vasi capillari, venule ed arteriole. Sulla base del repertorio antigenico espresso dai timociti è stato proposto uno schema differenziativo basato su tre stadi, corrispondenti a tre differenti zone. 

L'enzima TdT rappresenta quindi un marcatore dei timociti corticali e sottocapsulari.