Gastornis vivait dans les forêts et les marécages de la fin du Paléocène et du début de l'Éocène, alors que le climat de la planète était de nature tropicale. Il se nourrissait de petits mammifères de l'époque, du genre Propalaeotherium ou Leptictidium. Il profitait de la végétation pour se mettre à l'affût et, lorsqu'une proie passait à sa portée, il l'attrapait avec son bec. Ensuite, il l'écrasait et le secouait avant de le manger.
Certains paléontologues croient que Gastornis a été omnivore ou même herbivore car son bec était approprié pour écraser les graines et la végétation. Il est possible aussi qu'il l'ait utilisé comme affichage sexuel lors des parades nuptiales.
Les mœurs de Gastornis devaient s'apparenter à ceux des autruches et des nandous de notre époque. La femelle se construisait un nid au sol et pondait probablement un seul œuf. Les deux parents devaient garder le nid puis s'occuper de leurs progénitures ensemble après l'éclosion.
Quoi qu'il en soit, Gastornis semble avoir été un oiseau assez peu grégaire. Au début, il n'a eu aucun ennemi sérieux à part peut-être quelques petits mammifères prédateurs, comme l'arctocyon, qui devaient tenter de lui dérober ses œufs. Par la suite, la concurrence est devenue plus sérieuse avec l'apparition de mammifères prédateurs plus gros, tels le créodonte et le mesonychia. Le hyaenodon, apparu il y a 41 Ma, chassait en bande, ce qui a amorcé le déclin de Gastornis, qui a disparu à la même époque.