Nordeuropa, Sibirien, Nordamerika. I Sverige hela landet. I Sörmland allmän, jämnt spridd – (54%). Klotpyrolan går lättast att hitta i friska, örtrika skogar, särskilt igenväxande hagmarker, nästan alltid i halvskugga eller skugga. Den kan då och då uppträda i öppna bryn, vägkanter eller betesmarker, ofta tillsammans med vit- och björkpyrola, vilket nog kan ha med ekologin hos pyrolaarternas mykorrhizasvampar att göra.