Дерево высотой до 30 м и до 2 м в диаметре с густой широко-цилиндрической, сверху округлой кроной. Кора бурая, глубоко-трещиноватая. Молодые побеги толстые, коленчатые, красновато- или серовато-бурые, шершавые от блестящих рыжих волосков (1) и медно-красных щетинок. Почки крупные, яйцевидно-конические (2), длиной 7-9 мм, ржавчинно-рыжеватые, опушенные. Цветковые почки широкие. Листовой рубец у коротких побегов широко опоясан и возвышен над краем листовой подушки (3), с 3 следами (4). Древесина тяжёлая, твёрдая, с бурым или тёмно-красновато-бурым ядром и узкой желтоватой заболонью.

Листья эллиптические или продолговато-обратнояйцевидные, длиной 8-15 см. Основание слегка асимметричное округло-клиновидное (1). Верхушка заостренная или иногда с 3 подобными верхушками в верхней части пластины. Листовая пластинка двояко-пильчатая, с остроконечными зубчиками (2), сверху с редкими жесткими волосками, снизу по жилкам опушенные такими же волосками, на черешках длиной около 5 мм.
Женские цветки в пазушных пучках и на коротких цветоножках (3). Мужские пыльники фиолетовые (4). Цветет в марте-апреле. Плод — овальная или обратнояйцевидная крылатка, в диаметре до 2,5 см, вначале опушенная (5), затем голая, с небольшой выемкой на конце и в центре с семенем. Плодоносит в мае-июне.

Распространен в Центральной и Восточной Европе, Крыму, на Кавказе, в Малой Азии. Северная граница ареала в России идет приблизительно по линии Петрозаводск-Вологда-Пермь, к югу от которой вяз встречается в небольшом количестве во втором ярусе хвойно-широколиственных лесов на водоразделах и в долинах рек. Он является одним из характерных видов широколиственных лесов. В дубовых и липовых лесах зоны широколиственных лесов растет как примесь в 1 и 2 ярусе. В степной зоне встречается в балочных лесах, поймах и на склонах террас речных долин. Растет на черноземах, но не может выносить засоленные почвы. В горах Кавказа может подниматься на высоту около 1400 м.

Сходные виды. В пределах ареала вяза гладкого иногда рассматривают самостоятельный вид: вяз эллиптический — U. elliptica С. Koch., у которого крылатка имеет орешек с шелковистым красновато-бурым опушением.