iPhoneとiPad両方対応しようとしたときに発生しました。
4inch iPhone SimulatorでRunしても画面サイズが3.5inchになってしまい、[[UIScreen mainScreen] bounds]でも320×480が返って来てしまいます。
次のリンクによると、スクリーンサイズはlanunch imageに依存しているらしく、適切なサイズのlaunch imageを設定すると解決するそうです。
ios - UIScreen MainScreen Bounds returning wrong size - Stack Overflow
Apparently, iOS relies solely on the presence of a launch image in the resolution of an iPhone 5+ in order to let the app run in that resolution.
自分はiPad用のlaunch imageしかセットしておらず、iPhone用のものをセットしたところ直りました。