Le premier spécimen de cette espèce décrit dans la littérature scientifique l'a été par Carl von Linné dans son Systema naturæ en 1758, sous le nom d'Anas crecca. Traditionnellement, les ornithologues considèrent trois populations, identifiées à trois sous-espèces, très semblables d'aspect. La seule différence externe observable se trouve dans deux bandes blanches sur les flancs de la sous-espèce Anas crecca carolinensis, aussi appelée Sarcelle à ailes vertes.
Cependant cette systématique est discutée, notamment aux États-Unis où les populations de A. crecca carolinensis sont considérées comme une espèce à part. Les ornithologues américains reposent leurs analyses sur un point de vue qui rassemble des données comportementales, morphologiques, et moléculaires.
Les analyses génétiques montrent qu'Anas crecca carolinensis est plus proche de la Sarcelle à bec jaune que de la Sarcelle d'hiver européenne. Comme la radiation évolutive des canards du genre Anas est très récente, et qu'ils s'hybrident facilement les uns avec les autres, deux hypothèses sont plausibles. La Sarcelle à bec jaune pourrait avoir évolué à partir de la Sarcelle d'hiver américaine en perdant tout dimorphisme sexuel, ou la Sarcelle d'hiver européenne se serait hybridée avec la Sarcelle à bec jaune, tout favorisant son dimorphisme sexuel, caractères très présent chez les canards de surface.
Les sarcelles d'hiver ne plongent pas entièrement pour se nourrir, mais elles peuvent le faire pour se protéger d'un prédateur. Maladroites sur terre, elles ont un vol agile et rapide, mené avec beaucoup d'énergie. Elles sont capables de décoller très rapidement, et d'effectuer de brusques changements de direction et des pirouettes. Toutes ces prestations sont possibles grâce à une musculature puissante, et elles permettent à ces oiseaux d'échapper aux prédateurs aériens. C'est aussi le seul canard capable de se gratter en vol. La petite taille de cet oiseau, la rapidité et l'agilité du vol, ainsi que la façon de piquer vers le sol pour atterrir, font que le vol de la sarcelle d'hiver ressemble à celui d'un limicole.
Assez grégaire et ne présentant pas de comportement territorial, la Sarcelle d'hiver a tendance à se réunir et à voler en petits groupes. Lors de la migration, cet oiseau vole en nuée pouvant aller jusqu'à un millier d'oiseaux ; il existe une grande coordination entre les membres de la nuée.
Les Sarcelles d'hiver consomment des graines de plantes de zones humides ou de prés salés (graines de scirpes, joncs, soudes, Eleocharis, Carex, riz cultivé), des algues ou herbes aquatiques (Chara par exemple), mais aussi de petits invertébrés aquatiques (crustacés, mollusques) et des larves d'insectes, voire des œufs de poisson. Leur régime alimentaire est plus riche en aliments d'origine animale en été qu'en hiver. Ces sarcelles ont besoin, en moyenne, d'environ 25 grammes (poids sec) de nourriture par jour.
Elles trouvent leur nourriture sur les zones humides ou faiblement inondées, saumâtres ou douces. Elles s'alimentent souvent dans les eaux présentant moins de 15 cm de fond. Elles filtrent l'eau ou la vase grâce à leur bec, garni de lamelles permettant de retenir les petits organismes et graines dont elles se nourrissent, ou arrachent les herbes tendres. Le bec est capable de filtrer des particules d'une taille inférieure à 0,5 mm, même si les proies de quelques millimètres sont préférées. En période hivernale, les sarcelles d'hiver se rassemblent le jour sur les plans d'eau et se dispersent la nuit pour se nourrir, parcourant alors jusqu'à trente kilomètres. Bien que se nourrissant plutôt la nuit ou au crépuscule, la Sarcelle d'hiver observe, dans les zones où les effets des marées se font sentir, un rythme circadien basé sur ces dernières : elle se reposera à marée haute et se nourrira à marée basse.
Cette sarcelle est assez silencieuse mais les mâles produisent des petits « crrit » aigus mais discrets que les chasseur apprennent à reproduire. Lors de la saison de nidification, les mâles ont tendance à devenir nettement plus bruyants : les sifflements sonores font en effet partie de leur parade nuptiale. Beaucoup de langues (dont de nombreuses langues germaniques comme l'Allemand Krickente, le suédois Kricka) ont formé le nom de cette espèce directement à partir de cette vocalise. Le terme sarcelle, lui aussi, indirectement via une racine latine, dérive d'une onomatopée. On dit que la sarcelle truffle.
Les femelles émettent aussi un rugueux « cuac » d'alarme, ou de rapides et aigus « kekeke ».
La parade nuptiale, spectaculaire, est assez semblable à celle du colvert. Le mâle plonge le bout du bec sous l'eau, puis siffle, se cambre, rejette la tête en arrière, élève les ailes et soulève sa queue. Cette parade peut débuter dès novembre ou au cours de l'hiver ; elle dure plusieurs jours et peut mettre en concurrence plusieurs mâles pour une femelle. Elle se déroule sur l'eau, où les mâles effectuent des séries de plongeons. Si le mâle s'approche trop, la femelle non consentante peut le poursuivre hostilement. La femelle finit par choisir un mâle et l'accouplement suit immédiatement. Le couple sera monogame sur l'année, mais les mâles appariés pourront tenter de s'accoupler avec d'autres femelles, souvent de force, alors que les mâles célibataires ne présenteront pas ce genre de comportement. La femelle et le mâle choisi partiront au printemps vers le site de nidification où la femelle avait pondu l'année précédente, et qui est généralement le lieu de naissance de cette dernière.
La saison de ponte se déroule de mai en Europe centrale à juillet en Russie. Les populations les plus importantes se trouvent essentiellement en Russie, en Scandinavie et au Canada. La femelle construit un nid bien dissimulé dans une végétation dense, souvent sous des fougères ou des ajoncs ou parmi d'épaisses formations de Carex, joncs ou roseaux, parfois assez loin de l'eau. Le nid est garni de duvet que la femelle s'arrache de la poitrine, de feuilles, d'herbes, de brindilles et de fougères. La femelle y pond de 8 à 11 œufs de 41 à 50 × 30 à 35,5 mm, crème ou gris, teintés de vert ou de roussâtre, qui sont couvés par elle durant 21 à 23 jours. La femelle passera les 3⁄4 de son temps à cette activité et si elle est dérangée, elle ne quittera le nid qu'au dernier moment. Le mâle l'abandonne pour muer au plus tard dès que naissent les canetons, mais son départ peut survenir dès la ponte. Les sarcelles ne font en général qu’une seule ponte par an, mais en cas de disparition totale, une ponte de remplacement peut se produire. Les oisillons, qui pèsent 15 g à la naissance, sont nidifuges mais sont plus sensibles au froid que les petits des autres Anatidés ; aussi la mère continue-t-elle à les couver. Elle sait également les protéger des prédateurs en attirant leur attention sur elle.
Les canetons commencent à voler après 25 à 30 jours. Ils atteindront la maturité sexuelle vers 180 jours. La longévité de ces sarcelles est de 10 à 15 ans en moyenne, mais peut atteindre plus de 21 ans (le record actuel de longévité en Europe pour cette espèce a été déterminé grâce à la bague portée par un individu abattu à l'âge de 21 ans et 3 mois). L'espérance de vie d'une Sarcelle d'hiver en Camargue, calculée à partir des populations bagués, serait selon ONCFS de 1,4 ans.
Le taux de reproduction varie du simple au double selon les endroits, ainsi une femelle produit 3,7 jeunes volants en Islande contre 1,4 en Grande-Bretagne.