Metsälehmuksen luontaista levinneisyysaluetta on Eurooppa ja osa Kaukasiaa. Luontainen levinneisyysalue ulottuu Suomeen Vaasan korkeudelle asti. Metsälehmus onkin jaloista lehtipuistamme kaikkein pohjoisin. Suomeen se on tullut viimeisimmän jääkauden jälkeen, noin 5000 vuotta sitten, ja jo kivikaudella lehmus eli niinipuu oli tärkeä materiaali erilaisten punosten valmistamisessa. Niinen lähteenä lehmusta käytettiin aina 1800-luvulle asti. Runsaan ja kauan kestäneen niinen keräämisen vuoksi lehmus on suurelta osin hävinnyt luonnosta.
Metsälehmus kasvaa luontaisesti lehdoissa ja lehtomaisissa metsissä. Sen latvus on muodoltaan kapea ja varsinkin vanhemmat oksat ovat riippuvakärkisiä. Lehdet ovat selvästi sydämenmuotoiset, herttamaiset ja pienehköt, alapuolelta hieman sinertävät. Kukat ovat tähdenmuotoiset, kalpean keltaiset ja sijaitsevat pystyissä pienissä viuhkoissa. Lehmus kukkii heinäkuussa, ja silloin sen tunnistaa vahvatuoksuisesta medestä, joka kerää ympärilleen runsaasti pölyttäviä hyönteisiä. Metsälehmukset pienehköt hedelmät ovat pinnaltaan lähes sileitä.
Mustilassa Juhlapaikan lähellä, vastapäätä japaninlehtikuusimetsikköä kasvaa kookkaita metsälehmuksia. Pohjoisrinteelle istutettiin keväällä 2010 metsälehmusta, jonka alkuperä on Puruveden Iso-Niinisaaren luontainen lehmusmetsä.