Mérete körülbelül akkora, mint egy nagytestű varjúé. Mint minden madárevő ragadozó esetében, a vándorsólyomnál is észrevehető a nemi kétalakúság: a tojó jóval nagyobb, mint a hím. Még nem tisztázott, hogy a sivatagi sólyom, más néven berber sólyom (Falco pelegrinoides) külön fajt alkot-e, vagy a vándorsólyom két afrikai alfajának az állományához tartozik-e.

Bár legfőbb táplálékát a középméretű madarak alkotják, a vándorsólyom kisebb emlősökre, hüllőkre, sőt még rovarokra is vadászik. Az ivarérettséget egy éves korban éri el. A felnőttek egész életre „házasodnak”, addig hűek egymáshoz, amíg egyikük el nem pusztul.

A vándorsólyom magyarországi állománya az 1930-as években 40–50 pár lehetett. A vándorsólyom a Föld leggyorsabb állata. Támadását általában nagyon magasról indítja. Összezárt szárnyakkal, meredek szögben, zuhanórepülésben támad, amelyet rövid, erőteljes szárnycsapásokkal gyorsít fel. Ilyenkor – mérések tanúsága szerint – akár a 320 km/órát is elérheti a zuhanó madár sebessége.

Zuhanórepülésben közben a madár tüdejébe betóduló levegő tönkretenné szerveit, emiatt a orrlyukait speciális csontos képződmények fedik, amelyek meggátolják, hogy a levegő egyenesen hatoljon a tüdőbe, ehelyett csavarszerűen áramlik be a sólyom tüdejébe. A vándorsólyom szemét egy harmadik szemhéj védi, amely könnyek által tisztítja is ezt az érzékszervet. 

Egy kutatás szerint, amely a „tökéletes vándorsólymot” akarta megtalálni, a tudósok kiszámították, hogy tökéletes körülmények között és a madár tökéletes testfelépítése esetén, alacsony zuhanórepülés közben a „tökéletes vándorsólyom” képes lenne 400 km/óra sebességre, míg magas zuhanórepüléskor akár a 625 km/óra sebességet is elérhetné. Persze, ez csak feltételezés. 2005-ben Ken Franklin feljegyzett egy vándorsólymot, amely a rekordnak számító 389 km/óra sebességgel zuhant. A madár egyik zuhanása a következő videós linken látható