De nachtpauwoog komt voor in grote delen van Europa en Azië. De vlinders hebben een voorkeur voor heideterreinen en hoogvenen, maar vliegen ook in rotsachtige steppen en in loofbossen. De rupsen zijn niet erg kritisch, want ze eten van een grote verscheidenheid aan planten, zoals struikheide, braam en ganzerik. Er is jaarlijks één generatie.
De nachtpauwoog overwintert als pop, die veilig in een cocon zit. Van de grote nachtpauwoog is bekend dat hij soms wel drie winters in het popstadium kan doorbrengen. Het vrouwtje is de grootste vlinder van Europa.