Lęgi thumb|Jaja muchołówki szarej thumb|Młode muchołówki szare w gnieździe thumb|Karmienie podlota thumb|Jajo kukułki (Cuculus canorus canorus) i jaja muchołówki szarej Na lęgowiska wraca pod koniec kwietnia i w maju. W ciągu roku wyprowadza jeden lub dwa lęgi: pierwszy w maju, a ewentualny drugi w czerwcu. Okres lęgowy kończy się najpóźniej w lipcu. Toki Samiec wabi samicę, zaczynając swą pieśń na wzniesionych elementach terenu. Pary są monogamiczne.
Gniazdo Półotwarte, płytkie dziuple i rozwidlenia grubszych konarów lub wnęki, krokwie i zakamarki budynków, budowane zazwyczaj do wysokości 3 m. Może być osadzone na belce stropowej dachu, okiennicy, w płytkiej wnęce muru, półjaskiniach, za pnącymi roślinami lub w szczelinie, sęku pnia drzewnego. Solidne gniazdo, o kształcie czarki, jest budowane przez samicę, wite ze źdźbeł, mchu, porostów, korzonków, piórek i włosia, kawałków sznurka znalezionego w okolicy, spojone pajęczynami. Wyścielenie składa się z piór i włosia. Korzysta także z półotwartych skrzynek lęgowych (powinny być jednak zabezpieczone siatką ogrodzeniową, aby sroka lub inny krukowaty nie zrabowały lęgu). Rzadko może też być ulokowane w rozwidleniach gałęzi. Jaja Samica składa zwykle 4–6 (rzadko 7) jaj, bladoniebieskich lub zielonkawych z rdzawymi i brązowymi plamkami.