Vattenklöverns ulliga blommar kommer tidigt på försommaren. De kraftiga fröställningarna står kvar ute i blötans täta ”klövermattor” och brukar förbrylla myrbesökare senare på sommaren. Arten förekommer i två huvudbiotoper, myrar och stränder. Den kräver god vattentillgång och på myrarna indikerar den alltid en viss rikedom. I torrare fattigkärr saknas den eller finns bara i myrhalsar och myrutlopp. I medelrikkärr är den vanlig i flarkar på terrasserade myrar men finns också i breda vattenströmmande drag och myrbäckar. Den växer även inblandad i högstarrdominerade sankytor med flaskstarr Carex rostrata, ibland i lågvuxna mattor av strängstarr C. chordorrhiza. I tuviga rikkärr förekommer den regelbundet i höljornas lägsta partier men också i tuvkanter. I torrare myrmiljöer är vattenklöver ofta småvuxen och blommar sparsamt eller inte alls. Vid myrtjärnar växer den gärna i gungfly eller i vattnet mellan lösa vitmosskuddar nära kanten.
Som strandväxt uppträder vattenklöver i åarnas och skogsbäckarnas lugnsträckor, särskilt på ansamlad gyttja i krökarnas läsida eller på breda översvämningspartier. Den är också vanlig i deltaområden och i in- och utlopp av sjöar. På grunt vatten kan den breda ut sig i skyddade vikar, laguner och avsnörningar, såväl vid sjöar och älvar som i skyddade kustavsnitt. Vattenklöver finns dessutom i rikare, genomsilade sumpskogar och vissa öppna skogskärr.