Tornfalken var en av de arter som Linné ursprungligen beskrev i sin Systema Naturae från 1700-talet.
Arten ingår i en klad av tornfalkar med svarta mustaschstreck, vilket är ett kännetecken som inte förekom hos de mer ursprungliga tornfalkarna. De verkar ha spridits sig under under Gelasian (sen pliocen eller tidig pleistocen) ungefär 2.5-2 miljoner år sedan, med ursprung i tropiska Östafrika, vilket analyser baserade på den mitokondriella genen för enzymet cytokrom b indikerar tillsammans med biogeografiska överväganden. Den närmsta släktingen som förekommer idag är australisk tornfalk (Falco cenchroides) som mer stor sannolikhet härstammar från tornfalkar (F. tinnunculus) som för mindre än en miljon år sedan började anpassa sig efter de lokala förhållanden som rådde. Rödfalk (F. naumanni) som mycket starkt påminner om en mindre tornfalk, men som saknar svarta partier på ovansidan förutom på vingarna och stjärten, är förmodligen inte alls nära besläktad med dagens tornfalkar, och den amerikanska sparvfalken verkar inte ens vara en "äkta" tornfalk. Båda dessa arter har som adulta hanar mycket grått på sina vingar vilket inte förekommer över huvud taget hos tornfalk och dess närmsta släktingar, utan är istället ett typiskt kännetecken för andra falkar.
Man erkänner ett tiotal underarter. Taxonet rupicolus kan vara en distinkt art med ett släktskap med australisk tornfalk och dess släktskap med andra afrikanska och sydasiatiska taxa kräver mer studier. Taxonen neglectus och alexandri behandlas oftast som underarter till tornfalken men behandlas som arter av Hazevoet (1995) och av Sibley (1996).
Tornfalken är en medelstor falk med en lång stjärt och långa vingar som är smala vid basen, och som i utsträckt tillstånd är ganska trubbiga. Formen på fågeln påminner om sparvhökens. Längd och vingspann varierar beroende på underart och individ, hos den europeiska nominatformen F. t. tinnunculus når hanarna i genomsnitt en längd på 34,5 centimeter och honorna mäter 36 centimeter. Hanens vingspann är i genomsnitt knappt 75 centimeter och hos den något större honan 76 centimeter.
Normalt väger hanarna ungefär 200 gram medan honorna i snitt väger 20 gram mer. Hanarna håller vanligtvis en ganska konstant vikt under hela året medan honornas vikt varierar betydligt mer och de kan som mest under äggläggningsperioden väga runt 300 gram.
Tornfalkens rygg och övre vingtäckare är ljust rostbruna med svarta fläckar och svarta vingpennor. Undersidan är vattrad och ljus, där buken är ljust beige och vingundersidorna mer gråa. Näbben är typiskt falklikt böjd, gul vid roten och mörk längre ut. Den har en ganska mörk falkmustasch, ögat är svart och inramat med gult och den har gula fötter med svarta klor. Stjärten har ett mörkt band i bakkanten, med ett vitt smalt ändband.
Den adulta hanen har grått huvud och en grå ofläckad övergump och stjärt. Den adulta honan har rostbrunt huvud, grå vattrad övergump och en stjärt som är längsstreckad med svart och rostbrunt. Undersidan av stjärten är också längsstreckad i svart. Juvenila fåglar är lika honorna men är mer gulröda på ovansidan, har bredare, diffusare mörka streck på bröstet och fjäderspetsarna på de övre vingtäckarna har en ljus bård.
De flesta underarter skiljer sig lite åt. Hanarna bland underarterna i tropiska Afrika har mindre grått i sin fjäderdräkt.
När tornfalken sträcker känns den igen på snabba, något raska vingslag. Vid medvind kan den också glidflyga.
Tornfalkens vanligaste läte är en snabb, gäll ramsa som utgör varningsläte: ki-ki-ki-ki. Detta liknar lärkfalk och stenfalk men är för det mesta kortare. Ungfåglarna och honan tigger med ett drillande kirrl, kirrl som upprepas ett antal gånger. Den är ofta väldigt högljudd under häckningstiden.
Tornfalken häckar allmänt i Europa, större delen av Asien samt i stora delar av Afrika. Dess häckningsområde i Europa sträcker sig från 68° N i Skandinavien och 61° N i Ryssland över Medelhavets öar till Nordafrika. Den ses också på Brittiska öarna. I Asien sträcker sig utbredningen från mellersta Ryssland i norr, söderut till Himalaya, västerut till och med Arabiska halvön och österut genom Kina till Ochotska havet, i Japan och i Sydostasien.
På Indiska halvön häckar den i de sydvästra delarna. Vidare påträffas den i sydöstra Asien. Arten häckar i stora delar av Afrika inklusive Egypten men saknas runt västra centralafrika och norra Afrika. På Madeira, Kanarieöarna och Kap Verdeöarna uppträder tornfalken i endemiska avvikande underarter.
Den häckar även på några öar i Indiska oceanen, exempelvis Maldiverna
Tornfalkar är både flytt-, stann- och partiella flyttfåglar. Den östpalearktiska populationen av tornfalk är flyttfåglar medan den västpalearktiska bara delvis består av flyttfåglar och där främst de sydvästliga populationerna är stannfåglar. I regel ökar antalet övervintrande fåglar ju söderut man kommer i Europa, undantaget är fåglar som lever i bergstrakter. Sydliga unga tornfalkar drar ofta runt, och ungfåglar som just har blivit självständiga kan flytta i motsatt riktning mot det egentliga höststräcket, som går i sydlig eller sydvästlig riktning. Skandinaviska fåglar övervintrar normalt i västra eller sydvästra Europa, men även i centraleuropa samt Danmark. De danska tornfalkarna kan även flytta till Italien och norra Afrika. Finländska exemplar går en mer östlig rutt, exempelvis via Balkan.
Vårsträcket brukar i Sydeuropa påbörjas i februari och i Skandinavien kring början av mars. Vid utpräglade sträckfågellokaler som Falsterbo pågår sträcket till början av juni, med kulmination i maj.
Trots en betydande minskning av beståndet sedan 1940-talet, är tornfalken Sveriges allmännaste falk. Beståndet har på senare år spridit sig norrut, ända upp till fjällens björkskog. I Sverige övervintrar den i Skåne och på västkusten. I övriga landet flyttar den söderut i augusti - november, för att återkomma i mars - april.
Tornfalken häckar första gången vid ett års ålder. Den bygger inget eget bo, och boplatsen varierar. Den kan nyttja övergivna fågelbon (risbon) och holkar, då främst från kråkor eller duvor. Tornfalken kan även häcka på tak till byggnader, klippavsatser eller i trädhål.
Mediandatum för äggläggningen ökar ju längre norrut tornfalken häckar. Honan lägger vanligtvis 3-6 ägg men extremfall med 9 ägg har observerats. Den lägger en kull om året och äggläggningen sker i stora delar av Skandinavien i slutet av maj men i exempelvis Norrland inträffar den i början av juni. Äggen har en vit grundfärg och är täckta med bruna fläckar. Det finns en korrelation mellan häckningsframgång och honans storlek och vikt. Tunga honor får större kullar och lyckas föda upp fler ungar som klarar sig tills de är flygdugliga.
Kullen ruvas i 27-31 dagar av honan. Ungarna matas med mindre däggdjur, på slättlandskap mest åkersorkar, vatten- och ängssorkar. Häckande fåglar i fjällen förser sina ungar med skogssorkar men vid så kallade lämmelår även fjällämlar. Honan fördelar bytet mellan ungarna som hanen lämnar över. Ungarna blir flygfärdiga efter 25-27 dygn men stannar vanligen ytterligare två veckor runt boet.
Tornfalkens föda består främst av möss och andra små gnagare, men även groddjur, ödlor, skalbaggar och gräshoppor. Som de flesta rovfåglar har tornfalkar en mycket skarp syn, vilket möjliggör för dem att lokalisera små byten på håll. De behöver ett intag på 4-8 gnagare per dag, beroende på dess energiförbrukning (tidpunkt på året, hur mycket tid de tillbringar i luften etc). Tornfalken är också känd för att fånga flera byten i en följd och spara några för senare konsumtion.
Tornfalken syns ofta ryttla. Den stannar då vid en höjd på cirka 20 meter över marken och spanar efter ett lämpligt byte. Vingslagen är snabba och stjärten är utfälld, likt en solfjäder, och något vinklad nedåt. Ser den ett potentiellt byte, till exempel en vattensork, sänker tornfalken sig delvis för att säkert kunna veta var nedslaget ska ske. Slutligen störtdyker den och greppar bytet med framsträckta ben och utfällda klor, för att sedan sätta sig på marken. Det är sällan den missar sitt byte.
Tornfalkar lever under en relativt kort tidsperiod. Dödligheten hos ungfåglar är hög; endast 20 procent av dem överlever från två år och uppåt. De fåglar som gör det, blir i genomsnitt 2½, varav väldigt få kan leva några år till. Svält är den största dödsorsaken, speciellt hos årsungar under deras första höst och vinter. Många fåglar blir dessutom dödade i samband med olika kollisioner (exempelvis i trafiken), skjutna eller förgiftade.
Antalet tornfalkar fluktuerar och beror på hur många sorkar det finns. Antalet häckande par i Storbritannien beräknades vara 52 000, enligt Breeding Bird Atlas 1988-91.
Som många andra rovfåglar jagades tornfalken kraftigt under sena 1800- och tidiga 1900-talet. Arten drabbades kraftigt av biocider under 1960-talet och i Sverige har stammen i Götaland fortfarande inte helt återhämtat sig.
Det vetenskapliga namnet tinnunculus kommer från dess varningsläte , vilket påminner om ett ti, ti, ti, ti som kan variera i ton och hastighet. Översatt till svenska betyder det latinska ordet tinnunculus ungefär „falk med klingande läte“.
Den första kända svenska källan som använder namnet Tornfalk härstammar från 1728 men namnet är troligen äldre. Prefixet Torn- syftar på dess vana att utnyttja höga byggnader som boplatser. I Sverige under denna tid var kyrkan en av få höga platser i socknen och därför använde tornfalken oftast kyrkans översta regioner som häckningsplats. Arten har därför tidigare också kallats kyrkofalk.