Często występuje przy ciekach wodnych oraz na rozlewiskach w dolinach dużych rzek, gdzie wchodzi w skład łęgów. Na wilgotnych piaskach przybiera karłowaty, niski i krzywy pokrój. W Polsce największe skupiska tego gatunku to Puszcza Białowieska, Puszcza Borecka, dolina Odry na Nizinie Śląskiej oraz Dąbrowy Krotoszyńskie, lasy czeszewskie i czerniejewskie na Nizinie Południowowielkopolskiej. Niektóre dęby w Puszczy Białowieskiej osiągają wysokość 43 m (pierśnica do 3 m) i są uważane za jedne z najwyższych przedstawicieli swego gatunku.
Jest drzewem światłolubnym. Tylko młode sadzonki (do 2–3 lat) tolerują zacienienie, później pędy przewodzące zasychają, a z pąków śpiących w szyjce korzeniowej rozwijają się nowe pędy. Wówczas przybierają one postać krzewów. Jeśli okaz dłużej znajduje się w cieniu drzewostanu, może on wytrwać przez dłuższy okres w postaci małego drzewka o parasolowatej koronie. Gdy zostanie odsłonięty, rozpoczyna pionowy wzrost. Dąb szypułkowy dobrze znosi zacienienie boczne, jednak jest wrażliwy na ocienienie górne.
Rośnie na żyznych, świeżych, głębokich, bogatych w związki mineralne i organiczne glebach. Preferuje podłoże gliniaste, mulaste, piaszczyste czy torfowe. Najlepiej rośnie na glebach o obojętnym odczynie kwasowości. Dobrze znosi okresowe zalewanie.