Sikora czarnogłówka jest gatunkiem szeroko rozprzestrzenionym. Na terenie Europy i Azji wyróżniono kilka podgatunków. Ameryka Północna jest zasiedlona przez bardzo podobny gatunek sikory Parus atricapillus, traktowanej przez niektórych autorów jako podgatunek sikory czarnogłówki.
Czarnogłówka zamieszkuje bory bagienne wilgotne i bory mieszane. W górach dochodzi do granicy lasu. Zamieszkuje również lasy olchowe i tarasy zalewowe dużych rzek. Ptaki pozostają w parach przez całą zimę.
Okres lęgowy tego ptaka trwa od kwietnia do czerwca. Wiosną samica często wykuwa dziuplę w zmurszałym pniu i zakłada w niej gniazdo. Nie jest ona tak zręcznym cieślą jak dzięcioł zielony lub duży, co sprawia, że praca trwa 10 dni, a nawet dłużej.
Miejsce, w którym sikora czarnogłówka wykuwa dziuplę, można łatwo rozpoznać po drzazgach rozrzuconych tuż pod wejściem do niej. Niektóre pary zakładają gniazda w gotowych dziuplach. Konstrukcja gniazda i materiał, z którego jest ono zbudowane, są podobne jak u sikory ubogiej. Jaja, których składa 7?8, są również ubarwione podobnie jak jaja sikory ubogiej. Wysiaduje je tylko samica, przez 13 ?14 dni. Oboje rodzice karmią pisklęta przez 17?19 dni. Pary wyprowadzają w ciągu roku 1?2 lęgi.
Sikora czarnogłówka jest ptakiem osiadłym, tylko ptaki z północy wędrują na południe ze względu na nie sprzyjające tam warunki klimatyczne.
Sikora czarnogłówka występuje w całej Europie z wyjątkiem południowych i północnych obrzeży kontynentu oraz w dużej części Azji. W Polsce jest nielicznym ptakiem lęgowym. Wyglądem bardzo przypomina sikorę ubogą, lecz w przeciwieństwie do niej ma czarną czapeczkę bez połysku. Czarny śliniak jest nieco większy.
Na skrzydłach ma wyraźną, jasną plamę, którą tworzą jasne brzegi lotek drugiego rzędu i brzegi górnych pokryw skrzydeł. Cechy te są jednak słabo widoczne w terenie i łatwiej jest odróżnić ostre i wysokie ?picz-u, tsi-eh”, lub ?pi-si-dadadada” sikory ubogiej od niskiego niewyraźnego ?dir-dir-dir” czarnogłówki. Forma północna różni się od środkowoeuropejskiego podgatunku jaśniejszymi policzkami oraz jaśniejszym spodem ciała.
Północną Skandynawię zamieszkuje podobny, lecz większy gatunek?sikora syberyjska (Parus cinclus), która ma brązową czapeczkę i dużą, czarnę plamę podbródkową sięgającą do ciemno zabarwionych, górnych części ciała.