Jest to gatunek rośliny wieloletniej z rodziny jasnotowatych.
Występuje głównie w środkowej Europie. W Polsce na rozproszonych stanowiskach na niżu.
Głowienka wielkokwiatowa to bylina, hemikryptofit.
Kwitnie od czerwca do sierpnia. Siedlisko: suche murawy i ubogie murawy nawapienne, słoneczne, widne lasy i brzegi lasów.
Chętnie na glebach próchniczych i zawierających wapń.
Od głowienki pospolitej różni się tym, że środkowy ząb górnej wargi kielicha nie jest szerszy od bocznych.
Tworzy mieszańce z głowienką pospolitą.