Metsälehmus kasvaa tavallisesti 5-30 (35) metriä korkeaksi puuksi. Sen runko on harmaanruskea, nuorena sileä, mutta iän myötä se kaarnoittuu kapean pystyuurteiseksi. Metsälehmuksen vanhat oksat ovat vankkoja ja yläviistoja, alimpien oksien kärjet kaartuvat alas ja ovat riippuvia.

Metsälehmuksen lehdet ovat 3-9 cm pitkiä ja ne ovat muodoltaan leveänpuikeat, epämukaisesti herttatyvisiä ja suippokärkiset. Lehden reuna on sahalaitainen. Väriltään lehdet ovat yläpinnalta himmen tummanvihreitä ja kaljuja, alapinnalta vaalean sinivihreitä ja suonihangoista runsaskarvaisia. Lehmuksen silmu on pyörehkö ja suippokärkinen, noin 9 mm mittainen ja väriltään punertavanruskea.

Metsälehmus kukkii keskikesällä, heinäkuussa. Sen hyönteispölytteiset tuoksuvat kellanvihreät kukat ovat ovat kaksineuvoiset ja ne ovat pystyinä 4-15-kukkaisina viuhkokukintoina. Pölyttyneesti kukasta kehittyy pähkylämäinen, lähes pyöreä hedelmä, joka on 6-7 mm pitkä.

Metsälehmus voi levitä myös juurivesojen avulla laajoiksi kloonikasvustoiksi.

Small-leaved lime – Tilia cordata