Sokół wędrowny zdobywa pożywienie przez polowanie. To drapieżnik szczytowy żywiający się głównie drobnymi i średnimi ptakami: gołębia, grugami, mniejszymi sokółmi. Poluje też na nietoperze i owady.
Sokoły wędrowne mają ostry wzrok i potrafią dostrzec potencjalną ofiarę wysoko w niebie. Gdy zobaczą cel, nurkują z niesamowitą prędkością, osiągając do 240 km/h (150 mph) w nurkowaniu (stoop), co czyni je najszybszymi ptakami świata. Ten szybki nurkowanie pozwala sokolowi złapać ofiarę w locie ostrymi pazurami. Zazwyczaj polują w dzień i mogą zgromadzać nadmiar pożywienia na później.