Die La Colonia Formation, in der Carnotaurus gefunden wurde, repräsentiert eine Ästuar- und Küstenebene im Maastrichtium (69–66 Ma, nach aktueller Datierung basierend auf Magnetostratigraphie und Palynologie von 2021). Das Kawas-Meer (Südatlantik) drang im späten Maastrichtium weit nach Patagonien vor, sodass der Lebensraum aus verstreuten Inseln und Küstenstreifen bestand. Das Klima war warm und saisonal feucht, mit einer Vegetation aus Farnen (Salviniaceae), Araceen und diversen Koniferen. Carnotaurus koexistierte mit Titanosaurier-Sauropoden (Titanomachya), Hadrosauriern, Ankylosauriern, Plesiosauren (Sulcusuchus, Kawanectes, Chubutinectes), Schildkröten (Patagoniaemys), Madtsoiidae-Schlangen, Enantiornithes-Vögeln und verschiedenen Säugetieren.
2024 beschrieben Pol et al. (Cladistics) mit Koleken inakayali einen zweiten Abelisauriden aus der La Colonia Formation. Das subadulte Tier (mindestens 6 Jahre alt; Holotyp MPEF-PV 10826, entdeckt 2015 bei Cerro Bayo Norte) war kleiner als Carnotaurus und besaß keine Stirnhörner. Der Name stammt aus der Teushen-Sprache und bedeutet „von Lehm und Wasser kommend"; der Artname ehrt Inakayal, einen der letzten Häuptlinge der Tehuelche. Phylogenetisch bestätigt die Studie Carnotaurini als Klade mit Carnotaurus, Aucasaurus, Niebla und Koleken. Die Koexistenz eines großen, gehörnten und eines kleineren, hornlosen Abelisauriden deutet auf ökologische Nischenaufteilung im selben Ökosystem hin.
Im größeren evolutionären Kontext zeigt Carnotaurus, wie Abelisauridae auf der Südhalbkugel die ökologische Rolle einnahmen, die auf der Nordhalbkugel von Tyrannosauridae besetzt wurde. Rowe, Cerroni & Rayfield (2026, Scientific Reports 16: 2804) lieferten dafür den biomechanischen Beleg: Große Abelisauriden konvergierten funktionell mit Tyrannosauriden – ein eindrucksvolles Beispiel paralleler Evolution auf getrennten Kontinenten.