Il se retrouve dans les bois, les jardins, les zones arbustives et les marais. On peut aussi le trouver dans les haies, les fourrés et les lisières de forêts, et même dans les zones urbanisées, les milieux cultivés et les zones semi-désertiques.
Le Cardinal rouge est abondant à l’est des États-Unis du Maine au Texas. Au Canada, il est présent en Ontario, au Québec, au Nouveau-Brunswick et en Nouvelle-Écosse. Son aire de répartition s’étend à l’ouest au niveau de la frontière États-Unis-Mexique et vers le sud au Mexique jusqu’à l’isthme de Tehuantepec, au nord du Guatemala et au nord du Belize. Il a été introduit aux Bermudes en 1700 ainsi qu’à Hawaï et dans le sud de la Californie.
Le Cardinal rouge est occasionnellement un migrateur partiel : il est en principe résident permanent sur toute son aire de répartition mais, pour éviter les phénomènes météorologiques extrêmes ou la famine, il peut lui arriver de migrer. Il n'est cependant pas rare de voir, au Canada ou au nord des États-Unis, ces oiseaux autour des mangeoires au coeur de l'hiver, même par temps de neige.
Le Cardinal rouge est principalement granivore mais il se nourrit également d’insectes et de fruits. Son régime alimentaire consiste à 90% de graines, de céréales et de fruits. Il se nourrit surtout en sautillant au sol parmi les arbres ou les arbustes. Il consomme des coléoptères, des cigales, des sauterelles, des escargots, des fruits sauvages et des baies, du maïs et de l’avoine, des graines de tournesol, les fleurs et l’écorce des ormes. Il boit également de la sève d’érable qui s’écoule des trous percés par les pics, ce qui est considéré comme un exemple de commensalisme. Pendant l’été, il préfère les graines qui s’écalent facilement, mais il est moins sélectif en hiver lorsque la nourriture est plus rare. Les jeunes sont nourris presque exclusivement d’insectes.
Le mâle a un comportement territorial ; il marque son territoire par un fort sifflement clair chanté à la cime d’un arbre ou à un autre endroit élevé ou chasse les autres mâles. Quand un mâle voit son reflet sur une surface réfléchissante, il pourra passer des heures à combattre l'intrus imaginaire.
Le chant n’est pas inné mais appris, ce qui résulte en des chants qui varient selon la région. Cependant, dans l'ensemble, il est très mélodieux et rappelle celui du rossignol. Son cri d'appel est très bref et très aigu. Le Cardinal rouge est capable de déterminer le sexe d’un autre individu seulement par le chant. Les couples appariés se déplacent souvent ensemble.
Les deux sexes chantent des notes claires et sifflées qui sont répétées plusieurs fois puis variées. Le Cardinal rouge possède un cri d’alarme caractéristique, soit un court 'chip' métallique. Ce cri est souvent donné lorsque des prédateurs approchent du nid, ce qui alerte la femelle et les oisillons. Dans certains cas, le Cardinal rouge émettra une série de cris, dont le volume et la fréquence augmenteront en fonction du niveau de menace.
Les couples appariés chantent quelquefois ensemble avant de nicher. Pendant la parade nuptiale, le mâle récolte parfois de la nourriture qu’il présente à la femelle, la nourrissant bec à bec. Si l'accouplement est fructueux, le mâle peut continuer de nourrir la femelle pendant l’incubation.
La femelle construit un nid en forme de coupe de 1 à 3 mètres du sol dans un lieu bien camouflé, comme un arbuste dense ou un arbre. Le nid en forme de coupe est constitué de brindilles minces, de bandes d’écorce, d'aiguilles de conifère, de tiges flexibles et de petites racines, et l’intérieur est recouvert de feuilles mortes, d’herbes ou d’autres fibres végétales. Les œufs sont pondus 1-6 jours après la construction du nid. La femelle pond 3-4 œufs et la ponte a lieu deux à quatre fois par année. Les œufs sont blancs avec des teintes verte, bleue ou brune et sont marqués de taches lavande, grise ou brune. Ces taches sont plus importantes près de l’extrémité la plus large de l’œuf. Les dimensions de ces œufs sont de 22,4 à 27,9 mm x 16,9 à 19,6 mm. La coquille est lisse et légèrement lustrée. En général, c'est la femelle qui couve les œufs, bien qu'à de rares occasions, le mâle puisse couver pendant de courtes périodes. L’incubation dure 12-13 jours. À la naissance, les oisillons sont nidicoles, possèdent un rare duvet gris, et pèsent 3,5 g en moyenne ; ils quittent le nid 10 ou 11 jours après l’éclosion. Le mâle s’occupe de nourrir les oisillons d’une couvée pendant que la femelle s'occupe de l'incubation de la couvée suivante.
Les jeunes atteignent la maturité sexuelle à environ un an. Le plus vieux Cardinal rouge bagué par des chercheurs et ayant vécu en liberté est une femelle qui a vécu pendant au moins 15 ans et 9 mois. Un individu gardé en captivité a atteint l’âge de 28,5 ans. Le taux de survie annuel des adultes est estimé entre 60 et 65%, bien que, tout comme chez les autres passereaux, la mortalité élevée des jeunes réduise l'espérance de vie de l’espèce à environ 1 an.
Le Cardinal rouge est la proie d’une grande variété de prédateurs indigènes et introduits comme le chat domestique, l’Épervier de Cooper, la Pie-grièche grise, la Pie-grièche migratrice, l’Écureuil gris, le Hibou moyen-duc et le Petit-duc maculé. Les prédateurs des oisillons et des œufs incluent les serpents Lampropeltis triangulum et Coluber constrictor, le Geai bleu, l’Écureuil fauve, l’Écureuil roux et le Tamia rayé.