Klotstarr framträder tydligast på hösten; hela växten får då en karaktäristiskt vinröd färgton. Arten anses som en av våra få surmarksälskande växter. Särskilt framträdande är den också i de näringsfattiga och sura skogsområdena. I kalktrakter är den ovanligare, särskilt mot kusten, och den är t.ex. ej noterad från Njurundakustens rikmyrar. Klotstarr intar regelbundet en zon i övergången mellan myr och fastmark, och den är gärna rotad på tuvor, nedmultnade vedrester, kring stenar eller överväxta myrstackar. Den är ofta en dominerande sumpskogsväxt, under både tall och gran. Den är också typisk på rismyrar, i små artfattiga skogskärr, i myrhalsar och i myrrån. Man finner den även vid skogsbäckar och vid näringsfattiga skogstjärnar och sjöar på strandens översta del.
I hyggesfas och vid röjningar blommar klotstarren rikligt och kan då expandera kring stubbar, ris och på jordblottor. Arten är en vanlig kolonisatör i traktorspår, längs körvägar och skogsbilvägskanter, där den då kan växa helt torrt. Ibland står den på igenväxande myrodlingar och i skogsdiken.