Pilgrimsfalk är en stor och kraftfull falk med distinkt teckning i svart/grått och vitt. Ryggen är mörk och undersidan är ljus, med tät grå vattring. Ansiktsmasken är skarp med tydlig falkmustasch. Kroppslängden är 40–50 cm, vingspannet 80–110 cm. Hanen är således ungefär stor som en ringduva, honan något större än en kråka. En störtdykande pilgrimsfalk kan komma upp i en hastighet av 320 km/h eller mer, vilket gör att den brukar betecknas som världens snabbaste djur men den flyger dock inte i 320 km/h.