Плаун булавовидный растёт в лесной и лесотундровой зонах практически по всему миру, а также в горно-лесном и субальпийском поясах. 12

В России распространён в Арктике, европейской части (Карело-Мурманский, Двинско-Печорский, Ладожско-Ильменский, Нижне-Донской флористические районы), на Кавказе, в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке. 12

Предпочитает хвойные леса, особенно светлые сосняки, реже растёт в смешанных и лиственных лесах. 12 Тяготеет к сухим склонам вблизи заболоченных лесных понижений. 3 К почвам безразличен, но чаще встречается на песках и горах. 1