La Zostère marine pousse dans les fonds sableux et/ou vaseux des littoraux abrités ou des estuaires. Elle vit dans les zones rarement exondées et peut se développer jusqu'à une profondeur de 11 mètres.
Elle est considérée comme spécifique des biotopes « herbiers atlantiques à Zostères » et « herbiers méditerranéens à Zostera », et on la trouve parfois en association avec Zostera noltii dans les herbiers atlantiques à Zostères naines ou avec les genres Posidonia et Cymodocea dans les communautés lagunaires de végétation marine.
En Europe, elle vit dans certaines zones de la mer Méditerranée, dans l'océan Atlantique, dans la Manche, en mer du Nord et en mer Baltique. On la trouve dans les eaux froides ou tempérées de l'hémisphère nord, dans les zones et mers bordant l'Atlantique et le Pacifique.
Dans les années 1920 — 1930, les herbiers de Zostera marina furent presque entièrement décimés dans tout l'Atlantique nord par une maladie nommée « wasting disease » (ce qui signifie « maladie du dépérissement »). Les symptômes de cette maladie étaient l'apparition de taches brunes sur les feuilles, qui s'étendaient jusqu'à ce que les feuilles meurent et se détachent de la plante. Les jeunes pousses qui se développaient ensuite subissaient le même sort. Au bout de deux ou trois ans, les rhizomes privés d'apports nutritifs par absence de photosynthèse finissaient par pâlir et mourir.
La cause de la maladie a été attribuée à un micro-organisme du sous-règne des Stramenopiles, Labyrinthula zosterae. De nombreux auteurs ont pensé que la maladie était une conséquence de l'affaiblissement de la plante, et non la cause, et qu'une plante saine était à même de résister à l'infestation. Selon ces auteurs, la cause initiale de la destruction massive de ces herbiers était sujette à débats, mais il semblait clair qu'un ensemble de facteurs environnementaux perturbateurs, ensemble, affaiblissaient la plante, permettant une infestation mortelle par le Labyrinthula. Les causes les plus souvent citées étaient une diminution de l'insolation qui a eu lieu deux années consécutives au cours de cette période, avec simultanément une augmentation de la température moyenne de l'eau de 1 à 3 °C. Dans la même période, l'urbanisation des côtes et les aménagements portuaires ont pu localement augmenter la turbidité et la pollution de l'eau. Une étude plus récente semble démontrer que la cause initiale serait l'infestation par Labyrinthula zosterae, et les facteurs environnementaux des facteurs aggravants.
Quelle que soit la cause initiale de la maladie, les conséquences sur l'environnement furent importantes :
Après un lent rétablissement amorcé vers le milieu des années 1930, la « wasting disease » se déclara à nouveau de façon sporadique et localisée :
De nos jours, les herbiers à Zostères marines sont de nouveau en régression dans le monde entier, mais à des degrés divers au niveau local. Divers facteurs (le plus souvent d'origine anthropique) sont incriminés, comme l'augmentation de la turbidité de l'eau, l'eutrophisation des eaux du littoral, l'arrachement dû aux ancres de bateaux de plaisance, les travaux portuaires ou toute autre activité impliquant l'extraction de sédiments, certaines méthodes de pêche et/ou l'extension des installations de conchylicultures (huîtres, moules...).