Естественное местообитание вида — Южная Сибирь, Средняя Азия и Казахстан. Растет в темнохвойных лесах, чаще на их границах, где выделены бадановые типы леса, а также в лесной, субальпийской и альпийской зонах; встречается на высоте до 2600 м над ур. м. Почвы предпочитает дренированные, часто растет на моренах. Он замечателен и декоративен своими листьями: крупные, гладкие, кожистые, эллиптические или округлые, в виде розеток, они развиваются из конечных почек ползучих корневищ. Ранней осенью листья принимают красноватую окраску и так зимуют. Отмирают они летом следующего года, когда разовьются новые. Молодые листья бадана достигают крупных размеров (20—25 см в диаметре), на открытых местах они мельчают (до 5 см в диаметре).
Цветение больше наблюдается на открытых и полузатененных местах, а в тени оно скудное. Цветки собраны в плотные соцветия, которые поднимаются над листвой на длинном (35—40 см) цветоносе. Цветки мелкие, колокольчатые. Лепестки лилово-розовые, лилово-красные, яйцевидные или округло-яйцевидные, длиной до 12 мм. Ботаниками описаны , разновидности бадана толстолистного, отличающиеся по морфологическим признакам, имеющие декоративное значение.
Бадан толстолистный нормально плодоносит и образует жизнеспособные семена, которые имеют хорошую всхожесть и отлично сохраняют ее в течение 2—3 лет. Всходы бадана нежные и легко выгорают на открытых местах, поэтому высевать растение лучше в тени или обеспечить затенение. В первый год жизни сеянцы вырастают очень мало и нуждаются в укрытии на зиму, иначе они могут полностью погибнуть. Цветение наступает на 3 год.
В условиях культуры в Алма-Ате бадан толстолистный сильно разрастается. Все спящие почки корневища получают развитие и образуют куст диаметром до 60—80 см. Соцветий в среднем 5—8. Цветение начинается в первых числах мая и длится до конца месяца. Семена созревают в июле. Хотя бадан в природе приурочен к выходам камня, в культуре во взрослом состоянии он может расти на любых почвах. Корневища легко переносят деление и пересадку.
В ботаническом саду культивируется с 1968 г.