Les proies sont essentiellement des oiseaux de taille moyenne, aux alentours de 1 à 2 kg (mouettes, corbeaux, canards, chouettes, pigeons...). Cependant, du fait de sa robustesse, le faucon pèlerin n'hésite pas à s'attaquer à nettement plus gros, par exemple des hérons et des oies sauvages. Les espèces chassées dépendent bien sûr du type d'oiseau vivant dans le pays de résidence. Chaque population a ses proies préférentielles, qui varient fortement selon sa localisation. On a également noté dans certaines populations (en particulier dans le Nord du continent américain — Labrador ou Baie d'Hudson) une prédation de petits mammifères terrestres, type lemmings ou campagnols, voire de lézards plus au sud.
S'il est un chasseur, le faucon pèlerin devient parfois aussi une proie. Ses principaux prédateurs, à part l'homme, sont les grands rapaces, tels les aigles, le Hibou grand-duc (Bubo bubo) ou de grands faucons comme Falco rusticolus (le gerfaut). Certains mammifères prédateurs, tels les chats sauvages, les gloutons ou les renards peuvent aussi à l'occasion se saisir d'un faucon. Les petits, ne pouvant voler, sont les plus vulnérables. Ils sont susceptibles d'être attaqués et dévorés au nid, que ce soit par un oiseau de proie ou par un prédateur terrestre (si celui-ci parvient à se hisser jusqu'au nid).
Les Faucons pèlerins peuvent être porteur de plusieurs maladies, y compris la variole aviaire (Poxvirus avium), la maladie de Newcastle, les herpès, les infections mycosiques, les trématodes (Strigeidae), les nématodes comme Serratospiculum amaculata, le paludisme aviaire Plasmodium relictum, et diverses infections bactériennes. Parmi les Ectoparasites il y a les Phthiraptera dont Colpocephalum zerafae, Degeeriella rufa, Laemobothrion tinnunculus, et Nosopon lucidum, les puces comme Ceratophyllus garei, et les diptères Icosta nigra ou Ornithoctona erythrocephala.
Cette espèce aime les territoires découverts, avec peu de forêts. Elle s'installe sur les parois rocheuses (en montagne ou en bord de mer), voire (relativement rarement) sur de hauts bâtiments. On a noté que dans des zones sans présence humaine et avec pas ou peu de prédateurs, comme l'Arctique, le pèlerin pouvait s'installer sur des buttes ou des pentes et pas seulement sur des falaises. Quelques populations, peu nombreuses, peuvent nicher dans des arbres. Ce comportement se retrouve chez F.p. macropus, en Australie, mais aussi parfois en Europe, comme sur les bords de la mer Baltique.
Les faucons pèlerins ne sont pas des animaux grégaires. Même dans les zones avec des populations relativement importantes, les nids restent généralement à 1 km au moins les uns des autres et souvent beaucoup plus. Il s'agit pour chaque couple d'avoir un territoire nourricier suffisant. La taille des territoires varie avec la disponibilité en nourriture. La population est donc assez dispersée et reste bien moins dense que celle des oiseaux vivant en bande.
En France, c'est un animal sédentaire. Il en va de même pour la majorité des populations de la planète. Cependant, en Europe du Nord, en Sibérie ou en Amérique septentrionale, où le climat est plus froid, les populations sont migratrices, descendant vers le sud pour hiverner. L'hivernage peut se produire dans le sud de l'Europe et jusqu'en Afrique (pour les populations nord-européennes), ou jusqu'en Amérique du Sud pour les populations nord-américaines.
F. peregrinus est un mauvais planeur. Il pratique surtout le vol battu rapide suivi de courts vols planés horizontaux ou de glissades descendantes.
Les faucons conservent souvent le même abri plusieurs années, mais le nid étant très sommaire, ils peuvent aussi changer d'une année à l'autre tout en restant (normalement) au sein du même territoire. Pour cette raison, on suppose que les faucons pèlerins vivent en couple stable dans la durée. Au printemps, le mâle fait la cour à la femelle en exécutant des acrobaties aériennes. On peut alors voir des couples de faucons faire des spirales, des ascensions et des piqués. La période de reproduction dépend en fait de la latitude et du climat. La ponte a lieu en février et en mars dans le nord de la zone tempérée, d'avril à mai dans les zones plus nordiques et plus froides, d'août à octobre dans l'hémisphère sud (printemps austral) et de juin à décembre dans la zone équatoriale.
Comme les autres Falconinae, il ne fait pas de nid. Il utilise des anfractuosités rocheuses des falaises abruptes où il aime vivre (ou dans la façade des grands bâtiments) pour y pondre ses œufs directement sur le sol. Il aime les zones abritées des intempéries, par exemple par un surplomb rocheux, et assez souvent orientées au soleil (donc vers le sud dans l'hémisphère Nord). On a repéré des nidifications jusqu'à 3 600 m d'altitude dans les Montagnes rocheuses. Il s'agit cependant d'un maximum rarement atteint ou même approché. Les observations dans le Vercors français, par exemple, restent en dessous de 1 400 m. Le faucon défend sa zone de nidification : les animaux (oiseaux ou mammifères) s'en approchant sont attaqués et repoussés dans la mesure des possibilités du faucon.
La ponte et la couvaison ont lieu pour la France, entre avril et juin. Il y a une couvée par an comprenant de 2 à 5 œufs. Ceux-ci ont une base claire, mais fortement tachetée de brun-rouge. Selon le nombre des taches, l'œuf peut avoir une apparence allant d'un crème tacheté à un brun-rougeâtre. Après la ponte, l'incubation est assurée principalement par la femelle, mais également par le mâle et dure environ un mois (de 28 à 32 jours, dans la majorité des cas). Les poussins naissent à peu près en même temps. Si la première couvée est rapidement perdue, la femelle peut pondre une seconde fois (ponte de remplacement). Ce comportement est beaucoup plus rare chez les populations boréales, du fait de la faible durée de la belle saison.
Les jeunes sont capables de voler au bout de 35 à 45 jours. En moyenne, ils sont 1 ou 2 à survivre jusqu'à cette étape. Après l'envol, les parents apprennent aux jeunes à chasser, en volant à leur côté avec une proie morte dans leurs serres, puis en la lâchant, jusqu'à ce que les jeunes arrivent à la toucher. Cette phase d'apprentissage, pendant laquelle le jeune reste encore dépendant de ses parents pour la nourriture, peut durer de 6 à 9 semaines, après quoi les jeunes se séparent des adultes. La maturité sexuelle est atteinte vers 20 mois et les premières reproductions ont lieu vers 2 ans. Entre les premiers vols et les premières reproductions, ce sont plus de 40 % des jeunes qui décéderont de causes diverses. La mortalité devient moins importante par la suite.
Le faucon pèlerin chasse presque exclusivement des oiseaux. Il les repère en volant haut dans le ciel, parfois aussi en se perchant sur des falaises en hauteur.
La chasse a souvent lieu en début ou en fin de journée. Après avoir repéré sa proie grâce à son regard extrêmement perçant, il la surprend généralement en effectuant une attaque en piqué. Celle-ci n'est jamais totalement verticale, mais conserve généralement un angle de 20 à 40°. L'attaque se fait par l'arrière de la proie, afin de réduire le risque pour le faucon d'être repéré. La vitesse en piqué n'est pas constante, et varie selon les changements d'angle de l'attaquant et selon ses mouvements d'ailes, nécessaires pour s'adapter à la trajectoire de la proie. À la fin du piqué, l'animal se remet plus ou moins à l'horizontale. En pratique, il peut continuer à descendre, être vraiment à l'horizontale, voire faire une ressource et remonter légèrement. L'approche finale est en fait fonction de la réaction de la proie. Celle-ci peut être directement saisie avec les serres, ou percutée avec celles-ci, et récupérée lors de sa chute, voire au sol. La proie heurtée est ainsi déstabilisée et se tue lors du choc au sol ou bien reçoit un coup de bec fatal derrière la nuque. Le bec du faucon pèlerin est par ailleurs muni d'une échancrure spécifique qui l'aide à sectionner les vertèbres de sa proie.
Les mesures de la vitesse lors de la phase plongeante de l'attaque varient généralement entre 130 et 184 km/h. La vitesse maximale mesurée serait de 390 km/h. D'après René-Jean Monneret, un calcul théorique basé sur la masse de l'oiseau, son volume, son coefficient aérodynamique, l'angle de sa trajectoire avec le sol et la longueur de cette trajectoire permettrait d'envisager des vitesses supérieures à 400 km/h pour des angles très verticaux et des piqués prolongés. En pratique, les observations de terrain ne vont pas aujourd'hui jusque là. Quoi qu'il en soit, le faucon pèlerin est considéré comme l'oiseau le plus rapide du monde, du moins en piqué. Malgré ses attaques foudroyantes, le faucon rate assez régulièrement ses proies : il n'est pas facile de manœuvrer en piqué pour suivre un oiseau qui a repéré son attaquant.
Le faucon pèlerin peut aussi à l'occasion attaquer très rapidement à l'horizontale. Ces attaques plus ou moins horizontales peuvent se faire contre des oiseaux volants, mais certaines populations chassent aussi des proies au sol. L'attaque faiblement descendante est alors la seule possible, sous peine de s'écraser au sol.
Les animaux attaqués sont souvent assommés ou tués par le choc de l'attaque. Si le choc ne les a pas tués, ils sont rapidement mis à mort par morsure et rupture des vertèbres cervicales. Le bec n'est pas un instrument de frappe mais sert surtout au dépeçage de la proie. La proie abattue peut être emmenée en vol par le faucon si elle est légère, mais si elle est plus lourde, le faucon la laisse tomber au sol avant de s'en nourrir.