Gatunek lilii o największym obszarze występowania. W naturze rośnie od Portugalii na zachodzie, po jezioro Bajkał na wschodzie i Syberię na północy. Spotykana również w Polsce na obszarach górzystych, na niżu w okolicach Warszawy i lasach wokół Olsztyna. Tak szeroki zasięg występowania sprawia, że ta lilia jest bardzo zmienna i wydała w naturze wiele odmian botanicznych [var.: albiflorum, album, cattaniae (syn. dalmaticum), flavidum, hirsutum, pilosiusculum i daugava]. Wszystkie wymienione wcześniej odmiany botaniczne łatwo krzyżują się między sobą zwiększając jeszcze bardziej zróżnicowanie odmian ogrodowych w obrębie L. martagon. Ponadto lilia złotogłów krzyżuje się z takimi gatunkami jak L. hansonii (Van Tubergen 1886 – L. X Marhan = L. martagon x L. hansonii; Powell 1890 – L. X Dalhansoni = L. martagon var. dalmaticum x L. hansonii), L. medeloides (Grove 1915 – L. X Marmed = L. martagon x L. medeloides), wymieniona już L. X Dalhansoni skrzyżowana z L. tsingtauense dało kolejne mieszańce (Robinson 1963), w 1981 Georgi skrzyżował L. martagon z L. tsingtauense. Istnieją potwierdzone doniesienia o żywotnych hybrydach L. martagon z L. X umbelltaum (Niemcy) oraz L. auratum z L. martagon (RPA).
Obecnie na rynku dostępnych jest kilkadziesiąt odmian mających w rodowodzie lilię złotogłów. Gatunek ten ma dosyć specyficzne wymagania wynikające z warunków występowania. Do prawidłowego rozwoju wymaga gleb zasobnych w składniki pokarmowe o odczynie lekko zasadowym. Przygotowując w ogrodzie stanowisko dla tego gatunku należy dodać sporo kompostu i dolomitu oraz okruchy wapienne. Wymaga pełnego nasłonecznienia. Bardzo źle reaguje na przesadzanie. Na jednym stanowisku może rosnąć kilka, kilkanaście lat. Najefektywniejszą metodą rozmnażania wegetatywnego są sadzonki łuskowe. W przypadku rozmnażania generatywnego nasiona kiełkują długo i podziemnie.