Осока двутычинковая — гигрофит, растет в лесной и степной зонах в условиях от сыролугового до болотного увлажнения (84—98-я ступени шкалы Раменского), на плохо аэрируемых почвах (9-я ступень шкалы Элленберга, 5-я ступень шкала Элленберга, 5-я ступень шкалы Ландольта).

Экология и фитоценология осоки двутычинковой.

К освещенности требовательна, обычно растет при полном освещении (8-я ступень шкалы Элленберга, 5-я ступень шкалы Ландольта). Гемикриптофит.
Мезотроф (6—14-я ступени шкалы богатства почв Раменского), встречается на подзолисто-глеевых и торфяных почвах, обычно бедных минеральным азотом (3-я ступень шкалы Элленберга, 2-я ступень шкалы Ландольта) слабокислых или нейтральных (6-я ступень шкалы Элленберга, 3-я ступень шкалы Ландольта). В Центральной Европе иногда доминирует в составе кальциефильной группы болотной растительности с рН 6,5—7,9 (Werner, 1976). В почвах, покрытых фитоценозами с С. diandra, содержание кальция колебалось от 0,95 до 10,2% (Пипинис, 1963).
Осока двутычинковая произрастает обычно на низинных и переходных болотах, торфяных сильно замоховелых лугах, по берегам водоемов, заболоченным лесам и кустарникам (Быков, 1962; Брунд-за, 1965). Нередко доминирует в фитоценозах. Cariceta diandrae — широко распространенная формация. В Московской обл. этот вид распространен по топким" берегам водоемов, на низинных и переходных болотах (Новиков, 1971).