Die natürlichen Wuchsorte von Geum rivale sind feuchte Hochstaudenbestände, Quellen, Bach- und Seeufer, Auen- und Bruchwälder, feuchte, humose Wiesen, dort insbesondere an Gräben, Flachmoore und feuchte Gebüsche und Wälder.

Die Bach-Nelkenwurz kommt von der Ebene, wo sie allerdings in trockeneren, warmen Gebieten selten ist, bis in die subalpine Stufe vor. In den Bayerischen Alpen steigt sie bis auf 1860 m, in Tirol bis auf 2000 m, im Engadin und Wallis bis auf 2100 m und in Graubünden stellenweise bis auf 2400 m. Auf kalkreichen Böden ist sie besonders häufig, sie erträgt aber auch andere Substrate.

In Deutschland ist sie potentiell ziemlich verbreitet und meist häufig, in manchen Mittelgebirgen (Vogesen, Schwarzwald, Bayerischer und Oberpfälzer Wald, Mitteldeutsches Muschelkalkgebiet, Oberlausitz) jedoch natürlicherweise selten und auch im Tiefland fehlt sie in großen Gebieten, wie auch auf allen Nordseeinseln.

In Schleswig-Holstein kommt sie in feuchteren Wäldern, bachbegleitend und auf einigermaßen naturbelassenen Wiesen noch häufiger vor. In Universitätsnähe ist sie etwa im Projensdorfer Gehölz im Frühling noch häufiger zu finden.

Die allgemeine Verbreitung erstreckt sich vom gemäßigten Eurasien (von Island, den Faröern und dem nördlichsten Finnland bis in die Gebirge der nördlichen Mittelmeerlämder) bis nach Nordamerika. Geum rivale gehört dem nordisch-zirkumpolaren Element an.

Das Vorkommen der Pflanzenart ist beschränkt auf feuchte, mehr oder weniger humose Standorte. Kalk- und nährstoffreiche Unterlagen werden bevorzugt. Am charakteristischsten ist sie in der Vegetation von Bachufern, wo sie zusammen mit Alnus glutinosa (Erle), mit Weiden (Salix), mit der Kuckuckslichtnelke, der Sumpfdotterblume und der hohen Schlüsselblume (Primula elatior) vorkommt.

Häufig erscheint die Art auch im Röhricht, an See- und Teichufern, an Grabenrändern, in feuchten Erlengebüschen, im Legföhrengebüsch an feuchten Stellen in Gesellschaft von Hochstauden wie Peucedanum, in feuchten Wäldern, auf feuchten Waldschlägen und Wiesen.