Brhlík lesní je velký přibližně jako vrabec, dorůstá délky 13-14,5 cm, v rozpětí křídel měří 23–27 cm a váží kolem 23 g. Má zavalité tělo, krátké končetiny, ocas a krk, velkou hlavu a šídlovitý zobák. Vrch hlavy a těla je šedomodrý, letky jsou tmavé. Černý pruh, který se táhne od kořene zobáku přes oko až k týlu, bývá u samic poněkud užší. Líce a hrdlo jsou bělavé, spodina žlutooranžová (u severo- a východoevropských populací bílá), boky a spodní krovky ocasní narudlé, u samce velmi tmavé, oči černé a končetiny žlutooranžové. Létá rychle a obratně v plochých vlnkách. Vábí hlasitými hvizdy i jemnějším sýkořím „sit sit“. Zpěv je trylkovitý, v základě zní jako „kvikvikvi…“. Varovný hlas je hlasité, rychlé „ťuiťuiťui“.
