Natürlich verbreitet ist die Besenheide in ganz Europa mit Schwerpunkt in Mittel- und Nordeuropa, im Osten kommt sie bis West-Sibirien vor. Besonders häufig ist sie in eiszeitlich geprägten Gebieten. Schottische Einwanderer führten die Besenheide im 19. Jahrhundert nach Kanada ein. Seitdem breitet sie sich in Nordamerika aus und gilt dort als Neophyt. Die Besenheide gilt als Säurezeiger. Sie kommt natürlich auf sonnigen bis lichten Standorten, vornehmlich auf kalkfreien Sanden vor. Sie wächst bevorzugt auf trockenen, aber auch auf wechselfeuchten Böden, beispielsweise in entsprechenden Bereichen von Mooren. Lebensraum sind Heiden, Moore, Dünen, lichte Wälder. Die Vorkommen erstrecken sich vom Flachland bis in Höhenlagen von 2700 m.