Spotkać ją można w całym kraju, a w górach do wysokości ok. 1400 m n.p.m. W kraju to ptak przeważnie osiadły (lęgnący się tu i zimujący) i tylko w niektórych latach koczuje. Wybrane osobniki wędrują do miejsc o łagodniejszym klimacie. Późną jesienią obserwuje się przeloty sikor z północno-wschodniej Europy, które swe zimowiska mają w Europie Środkowej i Zachodniej.

Skromną barwą upierzenia nie przystaje do większości sikor. To niewielki ptak o dużej głowie i grubej szyi. Obie płcie ubarwione identycznie. Upierzenie na wierzchu brązowoszare, od spodu beżowobiałe. Na głowie matowo-czarna czapeczka sięgająca do krawędzi płaszcza, za karkiem ma kształt długiego i szerokiego krawacika, na podgardlu czarny szeroki „krawat” o rozmytych brzegach. Białe policzki. Dziób krótki, czarny. Boki ciała są płowe. Młode podobne do dorosłych. Gdy nie zna się jej śpiewu, łatwo ją przeoczyć.

Trudności w czasie obrączkowania i oznaczania sprawia duże podobieństwo do sikory ubogiej. U niej jednak sterówki są mniej więcej tej samej długości, podczas gdy u czarnogłówki zewnętrzne są przynajmniej o 5 mm krótsze niż środkowe, a ogon od spodu jest wyraźnie schodkowaty. Jest mniejsza od wróbla. Oprócz tego głowa czarnogłówki jest nieco większa i szersza, na której czapeczka nie błyszczy. To bardzo ruchliwy ptak, ale bardzo skryty i ostrożniejszy niż sikora uboga.
Od sikory ubogiej można czarnogłówkę odróżnić także po głosie, wydaje z siebie bardziej fletowe brzmienia, podczas gdy uboga, jak jej nazwa wskazuje, ma ubogi głos o zdecydowanie szorstkim brzmieniu. To jej odgłosy często zdradzają obecność ptaka, bo słychać je prawie bez przerwy. W porównaniu do innych sikor uwagę zwraca krępa sylwetka sikory czarnogłówki.Ptak waży ok. 8–14 g. 

Warunki siedliskowe czarnogłówki nie są dokładnie sprecyzowane. Wybiera najczęściej miejsca wilgotne, zwłaszcza blisko wód stojących lub płynących, bagienne olsy. Nie zamieszkuje tylko jednego określonego typu zbiorowiska roślinnego i na danej wysokości nad poziomem morza, choć liczniejsza jest w średnich i wyższych leśnych położeniach górskich. Zasiedla też suche drzewostany iglaste, mieszane i bory ze starodrzewami. Na terenach lęgowych wynajduje spróchniałe drzewa, gdzie może wykuć dziuple.

W Polsce występują dwie populacje czarnogłówki: jedna jest związana z podmokłymi zadrzewieniami, nadrzecznymi łozowiskami i zakrzewieniami liściastymi (zwłaszcza łęgowymi), czasem są to nadwodne zarośla wierzbowe; druga z suchymi, młodymi, niskimi lasami sosnowymi i sosnowo-świerkowymi. Czasem widywana w zdziczałych sadach. W przeciwieństwie do sikory ubogiej, zamieszkuje też niewielkie zadrzewienia śródpolne.

Często czarnogłówki spotyka się w gęstej roślinności niezbyt wysoko nad ziemią, a szczególnie w pobliżu zbiorowisk pokrzyw, gdzie dość trudno ją dostrzec. Ponieważ jest wobec człowieka nieufna, tereny bardziej zurbanizowane pozwala zasiedlać sikorze ubogiej.

W wykutej przez siebie lub opuszczonej przez bogatkę dziupli w przynajmniej częściowo spróchniałym lub martwym drzewie (niekiedy mogą jedynie poszerzyć istniejącą już lukę w korowinie drewna). Wykuwają ją oboje rodzice, co wyjątkowe u sikor. Samiec jest jednak potrzebny, bo wykucie dziupli i wysłanie jej (gęsto włóknami roślinnymi, piórami, włosiem, puchem i trawami) sprawia tym niewielkim ptakom wiele trudności. Nie są one tak zręczne jak dzięcioł zielony lub duży, co sprawia, że wykuwanie dziupli trwa 10 dni, a nawet dłużej. Miejsce, w którym sikora czarnogłówka wykuwa dziuplę, moż¬na łatwo rozpoznać po drzazgach rozrzuconych tuż pod wejściem do niej.  Podobne zachowanie wykazuje sikora uboga, ale rzadziej. Inne sikory zajmują tylko gotowe dziuple. Czasem korzysta także ze skrzynek lęgowych, wykrotów i zakamarków kory. Czarnogłówka tylko wyjątkowo zajmuje utworzone przez inne ptaki dziuple. Pary są monogamiczne.

W ciągu roku wyprowadza jeden lęg, składając w kwietniu-maju 7–9 zmiennie czerwonobrązowych plamistych białawych jaj. Jaja wysiadywane są przez okres 13–15 dni przez samicę. W tym czasie samiec przynosi jej pokarm. Potem rodzice karmią młode razem. Pisklęta, opuszczają gniazdo po 17–19 dniach, wtedy też stają się lotne. Pomimo to rodzice nadal przez pewien czas je karmią.
Czarnogłówka unika obecności człowieka, stąd zimą rzadko odwiedza karmniki

Poluje na owady, głównie gąsienice motyli w okresie lęgowym, ale i inne stadia rozwojowe, pająki, a jesienią oraz zimą zjada miękkie nasiona suchych traw, drzew i innych bylin, drobne owoce.
Zwierzęcą zdobycz zbiera zwykle z roślin. Żeruje głównie na dolnych gałązkach drzew, krzewów i zarośli, jak i w roślinności zielnej. Gdy szuka pokarmu, często zawisa na gałązkach brzuchem do góry. Rzadko zlatuje na ziemię. Potrafi ścigać owady w powietrzu.

Wraz z nastaniem jesieni gromadzi zapasy na zimę – wciska pająki, owady i nasiona w zakamarki kory lub pod rosnące na niej porosty. Zimą zbiera się w mieszane stada złożone z pełzaczy, mysikrólików, dzięciołów i kowalików, które razem szukają pokarmu i wzajemnie ostrzegają się przed drapieżnikami.

Liczebność samej tylko populacji europejskiej szacuje się (2015) na 61–88,4 milionów dorosłych osobników. Na terenie Polski gatunek ten jest objęty ścisłą ochroną gatunkową.