Pillerstarr växer på torr–frisk, sandig och mager mark som i glesa tallskogar, vägrenar och ljungbevuxna naturbetesmarker; den flesta lokaler är kalkfattiga. På Stora Alvaret ses den i betade, enbuskrika torrängar som är belägna på gamla ursvallade strandvallar. Speciellt när hyggen tas upp i barrskogar eller röjningar sker av betesmarker är pillerstarr snabb med att dyka upp. Sällsynt är arten noterad i gamla torvtäkter, sandiga åkrar, trädor, gamla sandtag och kraftledningsgator.

Pillerstarr är ganska ovanlig på Öland och utbredningen är koncentrerad till kalkfattiga områden som nordligaste Öland (Böda och Högby sn) och isälvsavlagringar i Mittlandet (Köping tall). På västra och sydvästra delen av ön växer den på urlakade gamla strandvallar som vid Eckelsudde, Smedby sn. Utbredningen idag liknar i hög grad kartan i Sterner (1938) med ett par undantag; dagens förekomster på Stora Alvaret var tidigare okända och nyfynd har gjorts i de östra socknarna N. Möckleby–Stenåsa. Jämfört med Sterner (1938) ses ingen förändring i statistiska analyser (Frescalo och Telfer).

Gammal, bofast.