La pieuvre merveilleuse (wunderpus) habite les environnements marins tropicaux peu profonds caractérisés par des sédiments mous ouverts, principalement du sable noir, des cendres volcaniques et des débris de corail. Elle vit dans des terriers creusés dans le substrat mou, qui offrent un refuge dans des habitats plats et exposés où la topographie naturelle et la structure récifale sont minimales.
En termes de répartition en profondeur, l'espèce est couramment rencontrée dans des eaux très peu profondes allant de 3 à 18 mètres (10 à 60 pieds), la plupart des observations étant signalées entre 6 et 12 mètres (20 à 40 pieds). Elle reste généralement dans des eaux de moins de 20 mètres de profondeur.
Géographiquement, le wunderpus est concentré dans l'archipel indo-malais tropical. Son aire de répartition reconnue s'étend du Vanuatu et de la Papouasie-Nouvelle-Guinée vers l'ouest via l'Indonésie et la Malaisie, et vers le nord jusqu'aux Philippines. Les destinations de plongée notables, célèbres pour les observations de wunderpus, incluent le détroit de Lembeh (sur des sites comme Police Pier et Aer Parang), Bali (Puri Jati), Secret Bay à Anilao, Alor, Flores, Mabul, Kapalai, ainsi que Milne Bay et Madang en Papouasie-Nouvelle-Guinée.