Biotop Warunki siedliskowe czarnogłówki nie są dokładnie sprecyzowane. Wybiera najczęściej miejsca wilgotne, zwłaszcza blisko wód stojących lub płynących, biotopy bagienne jak olsy. Nie zamieszkuje tylko jednego określonego typu zbiorowiska roślinnego i na danej wysokości nad poziomem morza, choć liczniejsza jest w średnich i wyższych leśnych położeniach górskich. Zasiedla też suche drzewostany iglaste, mieszane i bory ze starodrzewami. Na terenach lęgowych wynajduje spróchniałe drzewa, gdzie może wykuć dziuple. W Polsce występują dwie populacje czarnogłówki: jedna jest związana z podmokłymi zadrzewieniami, nadrzecznymi łozowiskami i zakrzewieniami liściastymi (zwłaszcza łęgowymi), czasem są to nadwodne zarośla wierzbowe; druga z suchymi, młodymi, niskimi lasami sosnowymi i sosnowo-świerkowymi. Czasem widywana w zdziczałych sadach. W przeciwieństwie do sikory ubogiej, zamieszkuje też niewielkie zadrzewienia śródpolne.
Często czarnogłówki spotyka się w gęstej roślinności niezbyt wysoko nad ziemią, a szczególnie w pobliżu zbiorowisk pokrzyw, gdzie dość trudno ją dostrzec. Ponieważ jest wobec człowieka nieufna, tereny bardziej zurbanizowane pozwala zasiedlać sikorze ubogiej.