Knagglestarr uppträder i många skilda våtmarkstyper och liknar i sin förekomst tätört, Pinguicula vulgaris. Den indikerar alltid rikare förhållanden och tilltar i kalktrakter. I sura områden, t.ex. norr om Indalsälven, blir den däremot ovanlig och ofta inskränkt till grundvattenflöden. Arten är konkurrenssvag och kan gynnas av markstörningar. Den växer i gles vegetation på stränder, särskilt vid rikare åar, och är vanlig t.ex. längs Ljungan. Man ser den också i örtrik vegetation på fast moränstrand vid vissa skogssjöar. Den är typisk i bäckutlopp på stranden eller i sippervatten mellan strandstenar, inte sällan då tillsammans med den mindre ärtstarren, C. viridula, men den kan även finnas på torvjord i växelblöta, tuviga strandängar.
Som myrväxt växer knagglestarr regelbundet ute i rikmyrarnas höljor och finns, åtminstone i Borgsjö, även i kanten av rikkärr. I medelrika blötmyrar kan den ses på fasta kärrplan, särskilt där vattnet är rörligt, som i utlopp och drag. Den är vanlig också på små öppna källmyrar och sluttande skogskärr.
Knagglestarren vill ha ljusöppet, men är någon gång sedd i mer sluten rik lövsumpskog, t.ex. i Hässjö. I rika områden växer den även längs bäckar; den kan där tillfälligt gynnas i hyggesfasen och kolonisera blöta körspår. Den kommer också in i nygjorda blöta diken längs skogsbilvägar och i tuviga kanter av odlingsdiken med lågvuxen grässvål.