Buk lesní je statný, vysoký, strom, který může dorůstat do výšky 35-40(50) m. V zápoji vytváří štíhlý kmen, který může dosahovat až 1,5m v průměru, korunu má vysoce nasazenou. Koruna je kulovitá, bohatě větvená. Větve jsou většinou vzpřímené a na koncích málo převislé. Pokud buk stojí jako solitér, tak vytváří krátký kmen s nízko nasazenou košovitou korunou.
Fagus sylvatica vytváří srdčitý kořenový systém, přičemž je hlavní kořen zkrácený a z jednoho kořenového uzlu se kořeny větví všemi směry. Výmladnost buku je nízká pouze do věku 30 - 60 let.
Borka je hladká, hnědá, později sivohnědá. Kůra je hladká i do vysokého věku. Zřídka, zejména na bázi kmene, vytváří rozpukanou borku: forma guercoides.
Letorosty jsou bělavě pýřité, později lysé, červenohnědé. Pupeny jsou dvouřadě střídavé, štíhle vřetenovité poměrně dlouhé 10-25 mm a od větví odstávají pod úhlem 45°. Rozeznáváme listové a květní pupeny ( jsou kratší). Pupenové šupiny jsou skořicově hnědé a na okrajích brvité.
Plodem buku je trojhranná nažka - bukvice. Ta se ve zralosti otevírá 4 chlopněmi. Dozrávají v září a říjnu, ale vypadávají až v listopadu.
Listy jsou vejčité, krátce řapíkaté, celistvé, čepel je eliptická celokrajná až mělce zubatá na okraji zvlněná na vrcholu zašpičatělá. Listy opadavé, na podzim přebarvují do žluté, červené až hnědé barvy. U mladých jedinců zhnědlé zůstávají na větvích až do jara.
Růst buku je z počátku pomalý, zrychluje se do 5tého roku, v 10tém roce dorůstá do výšky cca 0,75m.