Klotpyrola är mer bunden till fuktig och skuggig mark än vitpyrola P. rotundifolia och finns oftare än denna i sura, näringsfattiga trakter. I äldre granskog växer den främst i magra fuktsvackor, gärna på risfria ytor eller i artfattig skogsfräkenmiljö. Den finns även i sumpskog, bland björk och vide eller rikare som i gråalskog och då ofta tillsammans med vitpyrola. Dessutom växer klotpyrolan vid skogsbäckar och åar i mossklädda svackor i den omgivande lövbården. Ibland står den i myrkanter, och den är även sedd i rikkärr som Borgsjö Kontmyra. Den ökar efter röjning och kommer in i lövblandade ungskogar efter avverkning.
På kulturmark är arten typisk i frisk–fuktig blandskog på igenväxt odlingsmark, där den kan bilda mattor i bryn och halvöppna kanter. I vägdiken finns den på nya mineraljordkanter, t.ex. med skogsnycklar Dactylorhiza maculata subsp. fuchsii, men också i näringsfattiga stabiliserade – gärna nordvända – vägslänter med ljung Calluna vulgaris eller i vitmossfläckar. Ibland växer den på öppet grus i grustag, på vändplaner och längs skogsbilvägar. På hävdad hackslåtter och gårdsbackar, liksom i annan öppen kulturmark, kan klotpyrolan växa helt torrt, men den står även i bäck- och dikeskanter om övrig vegetation fortfarande hålls kortvuxen.