Klotstarr växer på fuktig, kalkfattig och mager mark i barrskogar, ofta i övergången mellan skog och kärr. Den har en tydligt östlig och boreal utbredning där de nordiska förekomsterna (Sverige och Norge) utgör västgräns för arten. I Sverige är den nordlig och avtar snabbt i frekvens söderut, sydliga utpostlokaler finns i Småland.

Det var därför ett oväntat fynd när Tommy Knutsson 2009 fann klotstarr på norra Öland i en fuktig tallskog rik på skvattram Rhododendron tomentosum och med spridda bestånd av tuvull Eriophorum vaginatum. Där växte den på ett bottenskikt av vitmossor Sphagnum sp. i en skog påverkad av dikningar. Senare efterforskningar har visat att arten är spridd över ett mindre område på ca 10 × 30 meter men att de flesta strån inte går upp i blom. Den är hårt trängd av skvattram men också blåbär, lingon, kråkbär och ljung. Rimligen är arten gammal på lokalen men förbisedd.

Gammal, bofast.