- listová čepel je dutá, trubkovitá, hladká a na okrajích až drsně papilnatá, sivá, na líci až polooblá a mělce žlábkovitá
- lichookolík kulovitý nebo široce vejcovitý, 1,5–6,0 cm v průměru, obvykle velmi hustý, velmi vzácně s pacibulkami
- nitky tyčinek s malými bradavčitými zoubky na bázi
- stvol přímý, oblý, hladký, nasivělý
- rostliny vytvářejí jednu až více dceřiných cibulí v bělavé až žlutavé šupině, přisedlé nebo na dlouhých stopkách dosahujících mezi listovými pochvami až nad cibuli
- vzácný druh skalní a stepní vegetace
Druh vykazuje značnou morfologickou variabilitu na geografické škále, především pak v barvě okvětí a tvaru okvětních lístků, papilnatosti stopek květů, barvě tyčinek, tvaru květenství a přítomnosti pacibulek v květenství, počtu, tvaru a umístění dceřiných cibulí (Mathew 1996). Stearn (1980) akceptoval tři poddruhy: subsp. sphaerocephalon, subsp. arvense (Guss.) Arcangeli [od Sicílie po jižní Turecko] a subsp. trachypus (Boiss. & Spruner) K. Richter [Řecko až jihozápadní Turecko]. Mathew (1996) v monografickém zpracování sekce Allium přijal čtyři poddruhy: subsp. sphaerocephalon, arvense, durandoi a trachypus, a subsp. curtum považuje za samostatný druh (A. curtum Boiss & Gaill.). V celé střední Evropě se vyskytuje pouze typový poddruh, charakteristický tmavě červeně nachovými, vzácně též růžovými okvětními lístky.
Česnek kulatohlavý na našem území nachází ekologické optimum ve dvou typech stanovišť: (a) vegetace skal a skalních stepí (svazy Alysso-Festucion pallentis, Festucion valesiacae) na převážně tvrdých horninách různého původu a chemického složení, na půdách mělkých, skeletovitých až slabě písčitých, suchých, slabě kyselých až slabě zásaditých; (b) rozvolněné, narušované stepi a úhory na spraši, sprašových hlínách a vápnitých prachových píscích, ale i na tvrdších horninách na hlubších půdách (svaz Festucion valesiacae). Je schopen přežívat i v akátinách, vysazených v místech skalní a stepní vegetace. V jižní Evropě je častý též jako plevel na obdělávané půdě, např. podél okrajů vinic, na suchých mezích, úhorech, aj.
Vyskytuje se vzácně v termofytiku Čech a Moravy. Pouze jediná lokalita je uváděna z mezofytika v těsném kontaktu s termofytikem. Česnek kulatohlavý se vyskytuje v planárním až (supra-)kolinním stupni, převážně v nadmořských výškách 150–300 m n. m. V Čechách je výskyt druhu koncentrován do skalnatých lokalit reliktního charakteru, typicky na skalách v průlomových říčních údolích Vltavy a jejích přítoků v Praze a severně od Prahy a Labe od soutoku s Ohří do Ústí nad Labem, a dále na skalnatých svahových lokalitách izolovaných vulkanických kopců. V Českém termofytiku nejvíce údajů pochází z kaňonu Labe a okolních vulkanických kopců v Labském středohoří a ze skal Dolního Povltaví, po jedné lokalitě je v Úštěcké kotlině, na Podřipské tabuli, Slánské tabuli a Bělohorské tabuli.
Na Moravě se vyskytuje v jižní části v nejteplejších oblastech Panonského termofytika. Nejvíce údajů pochází z fytogeografických (pod)okresů Znojemsko-brněnská pahorkatina a Hustopečská pahorkatina, vzácně byl výskyt doložen z podokresů Dunajovické kopce, Pavlovské kopce a Milovicko-valtická pahorkatina (viz Duchoslav & Krahulec 2012).
Je běžným druhem v Mediteránu jak na evropské, tak na africké straně (Maroko, Tunisko), včetně ostrovů; je znám i z Kanárských ostrovů. Východní hranice areálu prochází evropskou částí Ruska a Tureckem, zaznamenán byl též v Libanonu a Sýrii. V Evropě se vyskytuje ve většině států mimo Irsko, Holandsko, skandinávské státy a Polsko.
Druh bývá občas pěstovaný na skalkách.
Duchoslav M. et Krahulec F. (2012): Rozšíření druhů rodu česnek (Allium) v České republice. V. Druhy sekce Allium (A. sphaerocephalon, A. vineale) [Distribution of Allium species in the Czech Republic. V. Species of sect. Allium (A. sphaerocephalon, A. vineale)]. - Zprávy Čes. Bot. Společ. 47: 11-41. »»
Krahulec F. & Duchoslav M. (2010): 180. Alliaceae J. Agardh – česnekovité. – In: Štěpánková J., Chrtek J. & Kaplan Z. (eds.), Květena České republiky [Flora of the Czech Republic], 8: 647–677.
Mathew B. (1996): A review of Allium section Allium. – Royal Botanic Garden, Kew.
Stearn W. T. (1980): Allium. – In: Tutin T. G., Heywood V. H., Burges N. A., Moore D. M., Valentine D. H., Walters S. M. & Webb D. A.[eds.] Flora Europaea 5: 49–69, Cambridge University Press, Cambridge.