En raison de la rareté et de la discrétion du Pétrel de Bourbon, ses habitudes de vie demeurent en grande partie mystérieuses. Il est d'abord connu par son cri dont trois formes différentes sont connues et décrites :
Ces cris, qui sont poussés dans la nuit noire, peuvent surprendre et effrayer. Ils ont entretenu, au village de Grand-Bassin, la légende de la Timise qui frôle les passants en ricanant dans l'obscurité, éteint leurs lumières et emporte les enfants qu'on entend ensuite gémir.
Comme la plupart des pétrels et puffins, le Pétrel de Bourbon est un oiseau qui, sur les sites de nidification et pour aller et venir jusqu'à la mer, est effectivement actif uniquement la nuit. Il fait ainsi partie des espèces qui peuvent être leurrées par les éclairages artificiels nocturnes, prenant ceux-ci, selon les hypothèses, pour des proies (des bancs de calmars bioluminescents) ou simplement pour les reflets du ciel à la surface de l'océan. Il s'échoue alors à terre et est ensuite incapable de reprendre son envol.
On suppose que le Pétrel de Bourbon, à l'instar de son proche parent, le Pétrel de Tahiti, niche dans des terriers creusés dans l'humus ou dans des cavités naturelles, dans des zones forestières escarpées. Les indices recueillis par écoute des cris et par collecte de récits anciens semblent confirmer cette présomption. Il nicherait alors à des altitudes sensiblement plus basses que le Pétrel de Barau.
En mer, son vol est assez particulier. Par vent léger, c'est un vol zigzaguant régulier sur une trajectoire grossièrement rectiligne qui se maintient près du niveau de la mer, avec de brusques variations d’altitude. Par vent soutenu, c'est un vol rapide et plus direct, avec des variations d’altitude plus progressives et n’excédant pas 5 m au dessus des flots.
Les Pétrels de Bourbon sont présents à La Réunion ainsi qu'en mer, au sud de l'île, d'octobre à fin mars. En dehors de cette période, on ignore totalement les lieux qu'ils fréquentent. Ď
Le braconnage est probablement une cause ancienne de raréfaction du Pétrel de Bourbon. Les animaux tués pour les Muséums par Auguste de Villèle à la fin du XIXe siècle et les témoignages de consommation alimentaire de ces oiseaux au XXe siècle laissent à penser que l'espèce était autrefois plus abondante et plus largement présente dans l'île, notamment dans les Hauts de Saint-Joseph, de Saint-Benoît et dans la ravine Saint-Gilles. Aujourd'hui, pour cet oiseau quasiment introuvable, le braconnage est devenu de fait sans objet.
La menace actuelle la plus évidente est celle causée par la pollution lumineuse. À La Réunion ce sont les Pétrels de Barau et de Bourbon qui y sont les plus sensibles. Malgré l'impact positif des campagnes de sauvetage des oiseaux échoués qui associent l'ensemble de la population réunionnaise et malgré les préconisations en matière d'éclairage public, la situation est encore loin d'être réglée.
Enfin, il faut très probablement craindre une prédation au nid par les rats noirs et par les chats errants, comme cela est avéré pour le Pétrel de Barau. On ne dispose cependant d'aucune donnée réelle concernant le Pétrel de Bourbon.