Le pèlerin ne chasse pratiquement que des oiseaux capturés en vol. Toutefois il lui arrive, comme beaucoup d'autres faucons, de capturer aussi de gros insectes en vol - hannetons par exemple - ou des chauves-souris et de façon anecdotique des rongeurs.
Le mâle, plus petit, se contente de proies dont la taille varie de celle de la mésange à celle du geai, voir du Pigeon colombin.
La femelle, plus corpulente, capture des proies dont la taille varie de celle du merle à celle du Pigeon ramier

En France, le cantonnement des couples débute avec les premiers beaux jours de février (quelquefois mi-janvier), et culmine début mars. Les accouplements commencent environ 2 à 3 semaines avant la ponte. Comme les nocturnes, les faucons ne construisent pas de nid. Ils pondent à même le sol sur une vire, dans un trou, une niche, ou un ancien nid de grands corbeaux ou d'un autre rapace. Le substrat sableux ou terreux qui recouvre le sol est gratté par l'un ou l'autre des deux adultes. Dans une falaise, plusieurs "emplacements" sont grattés, aussi bien par le mâle que la femelle, mais c'est à la femelle que revient, en dernier recours, le choix de pondre dans l'une ou l'autre des "coupes de grattage" qui deviendra "l'aire".

La ponte comporte 3 à 4 œufs, plus rarement 2 ou 5 (jusqu'à 6 exceptionnellement, seulement 2 cas connus). Les œufs, de couleur marron rougeâtre, sont pondus toutes les 48 à 72 heures. Si la ponte est détruite dans les premiers jours de l'incubation, une ponte de remplacement peut débuter 15 jours plus tard (capacité qui a été mise à profit lors du "projet pèlerin", initié en 1974 dans le Jura pour accroître la productivité naturelle de la population de faucons, décimée par la contamination par les organochlorés et les "désairages").
Dans les quelques jours qui précèdent la ponte, le ventre de la femelle est gonflé et l'oiseau ne vole plus guère, elle est nourrie par le tiercelet.

L'incubation dure 30 jours, elle est assurée, grosso-modo, pour 2/3 du temps par la femelle et pour 1/3 par le mâle. Elle débute à la ponte de l'avant dernier œuf (en général le 3ème) de sorte que les poussins éclosent pratiquement tous le même jour à 24 heures près. À l'éclosion, les poussins sont recouverts d'un premier duvet blanc très fin, qui sera remplacé par le deuxième duvet, beaucoup plus dense et épais, à partir du 15ème jour. Au cours de leur première semaine, il n'y a pas de différence de taille entre mâles et femelles.

L'élevage :
Si les conditions météorologiques sont bonnes, la femelle ne quitte pas ses jeunes durant la première semaine. Elle reste sur eux pour les garder au chaud, plus ou moins allongée et de plus en plus redressée au fil des jours. Si tout se passe normalement, le mâle chasse et apporte les proies à l'aire. C'est la femelle qui dépèce et distribue la nourriture, mais le mâle est tout à fait capable d'assurer aussi cette tâche, quand la femelle le laisse faire.
Vers le 15ème jour, les jeunes se couvrent du 2ème duvet, dont ils sont entièrement recouvert le 20ème jour. Ce duvet très dense et épais, permet aux fauconneaux de résister par eux même aux faibles températures. La femelle les laisse alors de plus en plus souvent et longtemps seuls tout en restant à proximité pour les protéger le cas échéant, à la condition que le mâle s'acquitte correctement de sa tâche, l'apport de proies. Si pour une raison quelconque - tiercelet mauvais chasseur, " paresseux ", conditions météorologiques défavorables - la femelle peut quitter le site et aller chasser par elle-même. La nichée laissée sans protection est alors à portée d'autres prédateurs, le Grand Corbeau, entre autres.
On a observé quelquefois qu'une deuxième femelle, généralement une immature, se fasse accepter par le couple nicheur et participe aussi bien à l'incubation qu'au nourrissage des jeunes.