Vattenklöver är en ursprunglig art som vandrat in tidigt efter inlandsisens avsmältning. Fossila frön har hittats i många myrar vid torvmarksundersökningar i landskapet – i väster upp till 8000 år gamla. Arten har således haft gott om tid att sprida sig och finns nu i alla lämpliga miljöer. I tidigare arbeten beskrivs arten som allmän eller tämligen allmän. Växten kallades förr »treblad« i Ovansjö och »skitenblad« i Valbo.
Vattenklöver är en av landskapets vanligaste myrväxter. Den saknas visserligen i mossar men är annars oberoende av kalktillgång och surhetsgrad och förekommer i mängd både i utpräglade fattigkärr och i extremrikkärr. Ymnigast förekommer den i mossmatt-or med stående vatten, på gungfly och lös dy – men arten är vanlig också i myrarnas fastmattor. Den växer dessutom i lövkärr och annan sumpskog och dominerar ofta blöta ytor med gles skog. Det viktigaste verkar vara tillgången på torv eller grunt vatten där arten fritt kan utveckla sina kraftiga jordstammar.
Vattenklöver förekommer också rikligt på sanka stränder och i grunda vattenområden. Den trivs utmärkt vid lugnflytande vattendrag och gungflystränder och bildar ofta flytande bårder mot öppet vatten. Arten saknas i stort sett på havsstränder men är vanlig längs kusten där den kan ses i utsötade vikar och i hällkar.
De vanligaste följeväxterna är trådstarr (30%), kråkklöver, pors, sjöfräken och tranbär. I rikare kärr och sumpskogar är täta bestånd av vattenklöver en bra ledsagare till orkidén knottblomster. Vattenklöver blommar samtidigt som liljekonvalj.