Исследования показали, что у самок имеется 11 различных звуковых сигналов, а у самцов свыше девяти. Среди них можно выделить несколько образцов, которые варьируются по громкости, высоте и частоте звука в зависимости от ситуации. Кроме того, как у самок, так и у самцов варьируется при этом птенцовый сигнал выпрашивания корма. Особенно хорошо слышен этот тип сигнала в брачный период.

Брачные полёты пустельг в Центральной Европе можно наблюдать с марта по апрель. Самцы делают при этом прерывистые взмахи крыльями, совершают полуоборот вокруг своей оси и затем быстро скользят вниз. Во время этих полётов, которые в основном служат для обозначения границ участка, слышны возбуждённые крики.

Самка откладывает от 3 до 8 яиц. Период инкубации по разным данным длится 19–25 дней. Насиживают оба родителя: самка днем, самец ночью. Пустельга имеет довольно значительное число птенцов,

В оперении пустельги выражен половой диморфизм. Ярким признаком, отличающим самцов от самок, является окраска головы. У самца голова светло-серая, в то время как самка однородного буро-коричневого цвета. Кроме того, на бурой спине самца можно различить маленькие чёрные пятнышки, отчасти ромбовидные. Верхние кроющие перья хвоста самца, задняя часть спины (поясница) и рулевые перья (собственно хвост) также светло-серые. На конце хвоста имеются отчётливые чёрные полосы с белой каймой. Подхвостье светлое кремового цвета с лёгким рисунком из коричневатых полос или пятен. Подчревная область и испод крыла почти белые.

Взрослые самки отличаются тёмной поперечной перевязью на спине, а также коричневым хвостом с большим количеством поперечных полос и чёткой каймой на конце. Нижняя часть тела более тёмная, чем у самцов.

Размеры тела и размах крыльев пустельги сильно варьируются в зависимости от подвида и конкретной особи. У представленного в Европе подвида Falco tinnunculus самцы достигают в среднем 34,5 см в длину, а самки 36 см. Размах крыльев самца составляет в среднем почти 75 см, а у самых крупных самок — 76 см.

Нормально питающиеся самцы весят в среднем 200 г, самки в среднем на 20 г тяжелее. Самцы, как правило, сохраняют постоянную массу в течение года, а масса самок заметно колеблется: больше всего самки весят в период кладки (более 300 г при нормальном питании). При этом наблюдается положительная корреляция между массой самки и результатом насиживания: тяжёлые самки делают большие кладки и успешнее взращивают потомство.