Wanneer een koppeltje koolmezen elkaar heeft gevonden blijven zij gedurende een tot twee nestjes bij elkaar en nemen ze beide de verantwoordelijkheid voor het voeren van de jongen. Het is echter niet vreemd als het koppeltje hetzelfde nest jaren achter elkaar samen gebruikt. Wanneer een stel koolmezen geselecteerd heeft waar zij kunnen broeden, markeren zij dit met verse snavelmarkeringen rondom de opening. Het koppel zal hierna beginnen met de bouw van het nest. Dit nest bevat meestal de voor de hand liggende onderdelen als mos, haren, veren, bladeren, takjes en ander zacht materiaal.
Koolmezen leven vooral in bosrijke gebieden, maar ze zijn ook heel vaak te zien in tuinen met veel groene voorzieningen. Koolmezen bevinden zich het meest in het struikgewas, tussen houtwallen en houtsingels en eigenlijk overal waar bomen te vinden zijn. Koolmezen zijn niet schuw en eten soms pinda's uit de hand. Het geschatte aantal koppels koolmezen in Nederland staat op ongeveer 500 000 à 600 000 en stijgt nog steeds. De gemiddelde maximumleeftijd van een koolmees in goede levensomstandigheden bedraagt ongeveer 10 jaar. De oudste geringde en geregistreerde koolmees werd 15 jaar oud maar de schatting is dat ook een leeftijd van 22 jaar gehaald kan worden.
Koolmezen zijn uitzonderlijk baldadig, maar ook nuttige dieren voor liefhebbers van fruitbomen en grote fruitgewassen. Vele koolmezen zullen namelijk vruchten en bladeren aan gewassen doorzeven om rupsen op te pikken. Ze kunnen grote aantallen plaaginsecten wegvangen op een biologische manier maar dit kan ten koste gaan van de vruchten en bladeren die op hun beurt ook weer erg belangrijk zijn voor de oogst en de plant. Koolmezen maken gaten in nesten van eikenprocessierupsen en eten zowel jonge als oude exemplaren, maar hebben bij grote plagen maar een beperkte invloed, constateerden gemeenten die nestkasten hadden laten ophangen.
In de broedtijd eten koolmezen voornamelijk insecten en insectenlarven. Zij nestelen zich in boomholten en ook vaak in nestkastjes. De voorkeur gaat uit naar een vlieggat dat een paar millimeter groter in doorsnede is dan dat van de pimpelmees. Het gat moet het liefst 32 mm zijn. Bij voorkeur hebben ze een nestkast met een minimale binnenmaat van 12×12×25 centimeter.