Ареал грозовника полулунного довольно широк: это вся Европа, включая европейскую часть бывшего СССР, Сибирь, Кавказ, южные регионы Средней Азии, Дальний Восток, Гималаи. Папоротник распространен в Северной и Южной Америке, Австралии. На территории РФ встречается также, но больших колоний не образует. В Крыму встречается в поясе буковых лесов. Это реликтовый вид внесен в Красную книгу Украины.
Предпочитает расти на сыроватых, обычно мшистых луговинах, лесных опушках, полянах, по склонам оврагов и речных долин. Встречается в зарослях кустарников с моховым покровом на суглинках, кислых, дерново-подзолистых и луговых почвах. В культуре используется как декоративное растение, но размножать его сложно.
Регионы распространения на карте России.