Industriellement, le xénon est un sous-produit de la séparation de l'air en oxygène et azote. À la suite de cette séparation, généralement effectuée par distillation fractionnée avec une double colonne, l'oxygène liquide obtenu contient une petite quantité de xénon et de krypton. En effectuant des étapes de distillation fractionnée supplémentaires, il peut être enrichi jusqu'à contenir une concentration cumulée de 0,1 à 0,2 % de krypton et xénon, mélange de gaz nobles extrait par adsorption sur un gel de silice ou par distillation. Ce mélange est ensuite séparé en xénon et krypton par distillation. L'extraction d'un litre de xénon de l'atmosphère nécessite une énergie de 220 watt-heure. En 1998, la production mondiale de xénon était de 5 000 à 7 000 m3 (). Du fait de sa faible concentration sur terre, le xénon est beaucoup plus cher que les autres gaz nobles plus légers. En 1999, le prix d'achat pour de faibles quantités était d'environ 10 €/L, contre 1 €/L pour du krypton et 0,20 €/L pour du néon. Ces prix restent très modestes par rapport au cours de l'hélium 3.
Le xénon existe à l'état de traces dans l'atmosphère terrestre avec une concentration de 0,087±0,001 partie par million.
Le xénon est relativement rare dans le Soleil, sur Terre, dans les astéroïdes ou les comètes.
L'atmosphère de Mars présente une abondance de xénon similaire à celle de la Terre, soit 0,08 ppm. En revanche, la proportion de xénon 129 (par rapport au xénon total) sur Mars est plus élevée que celle observée sur Terre ou dans le Soleil. Cet isotope étant produit par la désintégration d'éléments radioactifs, ceci indique que Mars pourrait avoir perdu la majeure partie de son atmosphère primitive, peut-être dans les premiers 100 millions d'années qui ont suivi sa formation.
À l'inverse, l'atmosphère de Jupiter présente une concentration de xénon inhabituellement élevée, environ 2,6 fois plus élevée que celle du Soleil. Cette concentration élevée demeure inexpliquée et pourrait être liée à une formation rapide et précoce de planétésimaux avant que le disque protoplanétaire ne commence à chauffer (sinon le xénon n'aurait pas été piégé dans les glaces des planétésimaux). Au sein du système solaire dans son ensemble, la part du xénon (en tenant compte de tous ses isotopes) est de 1,56×10-8, soit une concentration massique de 1 pour 64 millions.
La faible concentration de xénon sur Terre pourrait s'expliquer par la possibilité de liaisons covalentes xénon-oxygène dans le quartz (surtout à haute pression), ce qui tendrait à diminuer la présence de xénon gazeux dans l'atmosphère.
Contrairement aux autres gaz nobles de masse plus faible, le xénon et le krypton ne sont pas formés par nucléosynthèse stellaire au sein des étoiles. En effet, le coût énergétique de production d'éléments plus lourd que le nickel 56 par fusion est trop élevé. De ce fait, un grand nombre des isotopes du xénon est formé au cours de l'explosion de supernovae.
Dans la nature, on peut trouver 9 isotopes stables (ou quasi-stables) du xénon. Seul l'étain possède un plus grand nombre d'isotopes stables (10), l'étain et le xénon étant les deux seuls éléments à posséder plus de 7 isotopes stables. Les isotopes 124Xe, 134Xe et 136Xe devraient (théoriquement) subir une double désintégration β ; mais celle-ci n'a jamais été observée.
En plus de ces 9 isotopes, plus de 40 isotopes instables ont été étudiés.
Le 129Xe est produit par désintégration β- de l'iode 129, qui possède une demi-vie de 16 millions d'années. Comme ce dernier, les isotopes 131mXe, 133Xe, 133mXe et 135Xe font partie des produits de fission de l'uranium 235 et du plutonium 239, et peuvent donc servir d'indicateurs d'explosion nucléaire d'origine humaine.
Les divers isotopes du xénon sont initialement produits par les supernovas, mais aussi par les géantes rouges, et la décroissance radioactive (ultérieure) d'éléments comme l'iode, ainsi que les produits de fission de l'uranium.
Le xénon 135, artificiel, est un élément jouant un rôle important dans les réacteurs de fission nucléaire. 135Xe possède une section efficace d'absorption très importante pour les neutrons thermiques, 2,6×106 barns, et agit donc comme absorbeur de neutrons ou comme poison pouvant ralentir ou stopper la réaction en chaîne. Cet effet a été découvert dans les tout premiers réacteurs nucléaires construits par le projet Manhattan pour produire du plutonium. Heureusement pour eux, les ingénieurs ayant dimensionné le réacteur avaient prévu de la marge pour augmenter sa réactivité (nombre de neutrons par fission qui eux-mêmes induisent la fission d'autres atomes du combustible nucléaire).
L'empoisonnement du réacteur par le 135Xe joua un rôle important dans la catastrophe de Tchernobyl.
Dans des conditions défavorables, des concentrations relativement élevées d'isotopes radioactifs du xénon peuvent émaner de réacteurs nucléaires du fait de la libération de produits de fission par des barreaux de combustible endommagés, ou en cas de fuite d'eau du circuit primaire de refroidissement.
Certains isotopes du xénon peuvent servir d'indicateurs : le rapport de concentration d'isotopes dans des météorites constitue par exemple un outil puissant pour étudier la formation du système solaire. La méthode de datation iode-xénon permet d'étudier des temps situés entre la nucléosynthèse et la condensation d'objets solides du disque protoplanétaire. Des rapports tels que 129Xe/130Xe ou 136Xe/130Xe sont également des outils puissants pour étudier la genèse de la Terre. Par exemple, l'excès de 129Xe trouvé dans les gisements de dioxyde de carbone du Nouveau-Mexique pourrait avoir pour origine la désintégration de gaz du manteau terrestre peu après la formation de la Terre.