En störtdykande pilgrimsfalk kan komma upp i en hastighet av 320 km/h eller mer, vilket gör den till världens snabbaste djur.
Pilgrimsfalken delas ibland upp i så många som ett tjugotal underarter. Vissa ser Berberfalk som en underart av pilgrimsfalk Falco peregrinus pelegrinoides medan andra ser den som en egen art Falco pelegrinoides.
Pilgrimsfalken har en cirkumpolär utbredning och förekommer på alla kontinenter förutom Sydpolen. Merparten av de nordliga populationerna är flyttfåglar medan de sydliga är stannfåglar.
Pilgrimsfalken mäter 34-58 cm och har ett vingspann på ungefär 80-120 cm. Könen har en liknande teckning, men likt många andra rovfåglar är honan tydligt större än hanen, upp till 30 procent. Hanar väger 440-750 gram och honor 910-1500 gram.
Underarterna skiljer sig både i storlek och i teckning. Ryggen och ovansidan på de långa spetsiga vingarna hos adulta individer är blåsvarta till skiffergrå med otydlig mörkare vattring. Den vita till roströda undersidan är mörkt tvärvattrad med tunna tvärgående linjer i mörkt brunt till svart. Stjärten, som är medellång, smal och med avrundad bakkant är på ovansidan färgad som ryggen men med tydligare och ljusare tvärgående band och med ett vitt ändband. Hjässan och dess "mustasch" är svart och kontrasterar mot de ljusa huvudsidorna och vita strupen. Vaxhuden vid näbbroten är gul, liksom dess fötter. Näbben varierar från grå med mörkare näbbspets till nästan helsvart. Klorna är svarta. Den juvenila fågeln är mycket brunare med streckad, snarare än vattrad, undersida, och har en ljusblå vaxhud.
Pilgrimsfalken är muskulös och en aggressiv flygare som slår sitt byte, nästan uteslutande fåglar i duvstorlek, i störtdykningar om över 200 km/h. De högst dokumenterade uppmätta hastigheterna hos fåglar har varit störtdykande pilgrimsfalkar. olika undersökningar pekar på olika resultat från hastigheter kring 320 km/h till undersökningar som visar på hastigheter över 380 km/h. De använder helt enkelt sin hastighet och tyngd för att döda fåglar i luften genom att "krocka" ihjäl bytet. Under idealiska förhållanden kan en pilgrimsfalk urskilja en fågel av duvstorlek på ett avstånd av mer än 8 km. Skrattmås, duva, stare och trastar utgör tillsammans nästan 75% av bytena i vissa populationer. I andra områden kan vadare vara huvudbyte. Inte ens under lämmelår går pilgrimsfalken gärna över till gnagare, men jorduggla kan bli ett viktigt byte när dess antal stiger som följd av bytestillgången. Honans större storlek gör att hon genomgående kan slå något större byten än hanen.
Pilgrimsfalken häckar på klipphyllor eller i branter. Stup om minst 10 och upp till 100 meters höjd föredras, helst ska stupet ha vatten nedanför. Boet är ofta ett övergivet bo av korp eller mindre ofta kungsörn, annars direkt på klippan eller i träd i övergivna bon efter exempelvis kungsörn eller fjällvråk. De som inte får revir med lämpliga stup häckar ibland på marken eller i låga träd på myrar, men forskning har visat att dessa par lyckas sämre med uppfödningen av ungar på grund av sämre födotillgång.
I vissa amerikanska storstäder häckar pilgrimsfalken på skyskrapor som en ersättning för klipphyllor och branter och de jagar stadsduvor och andra stadslevande djur. I dessa fall uppvisar pilgrimsfalken en förvånande tålighet mot människans närvaro.
Pilgrimsfalkar tillbringar ofta vintrar i fiskelägen och hamnstäder, där de jagar måsar, kajor och duvor.
Pilgrimsfalkens överlevnad i Europa var allvarligt hotad från 1950-talet och fram till 1990-talet. Det stora hotet kom från miljögiftet DDT och andra liknande bekämpningsmedel, som användes inom jordbruk och skogsbruk. Den svenska populationen på över 1000 par krympte och bestod 1965 av bara 35 häckande par, och omkring 15 par i mitten av 1970-talet. Det allvarligaste problemet var att häckande fåglar ruvade sönder sina ägg eftersom äggens skal blev mycket tunt som en följd av giftansamlingen i föräldrarna. 1976 överlevde inte en enda unge. Ett intensivt projekt inleddes av Naturskyddsföreningen, med avel, uppfödning och utsättning av ungar under namnet Projekt Pilgrimsfalk. Projektet har visat sig lyckosamt och i och med lägre giftansamlingar i de adulta falkarna så har stammen långsamt återhämtat sig. 2002 bestod landets södra population, det vill säga i Skåne, Halland, Bohuslän, Dalsland, Östergötland och Gotland, av minst 39 häckande par. Norrbotten har den starkaste stammen, och några par finns i Västerbotten och Dalarna. Norge och Finland har något starkare stammar än Sverige, men har genomgått samma kris. I Danmark var pilgrimsfalken helt försvunnen, men enstaka par har nu återvänt. Ökningen i stammarna ligger nu omkring 10-20% årligen. Den stora arbetsinsats som krävts för att rädda den svenska pilgrimsstammen har i huvudsak varit frivillig.
De största naturliga hoten mot häckande pilgrimsfalkar är mård, räv och berguv. Nyss utflugna ungar tas ibland av andra större rovfåglar som duvhök. Jaktfalk tränger undan pilgrimsfalk när de finns i samma område.
Till skillnad från jaktfalken som är föremål för omfattande boplundring så utgörs idag de svårare hoten mot pilgrimsfalken av nya gifter - flamskyddsmedel lämnar spår (till exempel PBDE) som bioackumuleras på liknande sätt som PCB, men vilka effekter detta får är ännu inte känt. Pilgrimsfalkens sekundära häckningsområden, myrar, hotas av torvbrytning. Alpinister har i högre grad kommit i konflikt med ornitologer eftersom pilgrimsfalken häckar i de mest attraktiva klättringsområdena. Berguv konkurrerar med pilgrimsfalken om häckningsplatser och är också en fara för ungarna, varför man bör vänta med att återinföra berguv i områden där falkstammen är svag.
Upptagen på Röda listan i Sverige: VU* D (sårbar med förbehåll, mycket liten population).
Pilgrimsfalken är Hallands landskapsfågel och syns även i Naturskyddsföreningens logotyp.