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Das Wald-Flattergras im weiteren Sinne (Milium effusum s. l.) ist – mit einer großen Verbreitungslücke in Ostsibirien – transpaläarktisch verbreitet und kommt zudem im östlichen Nordamerika vor. Im südlichen Europa fehlt es lediglich auf einem Großteil der Iberischen Halbinsel, den Balearen, den Azoren und Kreta. Im nördlichen Europa gibt es keine Vorkommen auf Spitzbergen und den Färöern. In allen anderen Ländern hat es Vorkommen und fehlt nur in Nordmazedonien und in Belarus.^[1] Im Nahen Osten liegt die Südgrenze der Verbreitung in Zentral- und Nordostanatolien und im Nordwestiran. In Mittelasien reicht die dort teils disjunkte Verbreitung bis in die Dsungarei, den Tianschan und den Pamir-Alai sowie teils bis in den Himalaya und den Nan Shan. In Ostasien kommt das Wald-Flattergras nur im Süden von Ostsibirien vor und zudem in einem disjunkten Teilareal in Japan und Korea sowie auf Kamtschatka, Sachalin, den Kurilen, im Bereich von Ussuri, Uda und in der Seja-Bureja-Ebene. Auch auf Taiwan ist das Wald-Flattergras zu finden. In Nordamerika erstreckt sich das Areal vom Bereich der Großen Seen bis zur Ostküste. Die Westgrenze liegt im nordöstlichen South Dakota und in Manitoba, die Nordostgrenze in Neufundland und Nova Scotia und die Südgrenze in Illinois und North Carolina. In Neuseeland kommt das Wald-Flattergras synanthrop vor.

In Mitteleuropa ist das Wald-Flattergras häufig und verbreitet und fehlt nur auf den Nordseeinseln sowie auf den ärmeren Böden der nordwestdeutschen Marschen. Im nordwestdeutschen Tiefland sind die Vorkommen ohnehin recht zerstreut.

Das Wald-Flattergras besiedelt anspruchsvolle, artenreiche Laub- und Mischwälder und wächst bis zur subalpinen Hochstauden- und Gebüschvegetation. In bodensauren Wäldern ist es seltener zu finden. Der Boden muss frisch bis feucht, nährstoffreich, locker und feinerdig sowie neutral bis schwach sauer sein. Das Wald-Flattergras ist ein Humuszeiger und eine Mullbodenpflanze, die auf tiefgründigen, steinigen, sandigen oder reinen Lehmböden vorkommt. Auf Sandstein wächst sie selten und auf Kalk nur bei einer umfangreichen Humusschicht. Sie steht im Halbschatten oder im Schatten. Das Wald-Flattergras wächst bevorzugt in frischen, anspruchsvollen Laub- und Mischwäldern mit reicher Humusschicht, in Schlaggebüschen und Hochstaudenfluren.

Die ökologischen Zeigerwerte nach Landolt et al. 2010 sind in der Schweiz: Feuchtezahl F = 3 (mäßig feucht), Lichtzahl L = 2 (schattig), Reaktionszahl R = 2 (sauer), Temperaturzahl T = 3+ (unter-montan und ober-kollin), Nährstoffzahl N = 3 (mäßig nährstoffarm bis mäßig nährstoffreich), Kontinentalitätszahl K = 2 (subozeanisch).^[2]

Die Höhenverbreitung reicht in den Alpen bis in Höhenlagen von etwa 2400 Metern. Diese Höhenlage wird in Graubünden am Westhang des Piz Murtaröl erreicht.^[3] In den Allgäuer Alpen steigt es in der Unterart Milium effusum subsp. alpicola in Bayern am Rotkopf am Laufbacher Eck bis zu einer Höhenlage von 2050 Meter auf.^[4]