El petirrojo es un pájaro sociable, atrevido y curioso que acostumbra a salir del bosque y plantarse a mitad de un camino para ver quién llega a su territorio, emitiendo su característica voz de alerta: un chip-chip metálico y seco. Su canto es un gorjeo musical, muy melódico, parecido al del ruiseñor.
El ave adulta mide 12,5-14,0 cm de largo, pesa 16-22 g y tiene una envergadura de 20-22 cm. El plumaje del macho y de la hembra es semejante: el pecho y la cara naranja, bordeado por un gris azulado en los lados del cuello y del pecho. Las partes superiores son de color marrón y el vientre blanquecino, mientras que las patas y los pies son de color marrón. El pico y los ojos tienen un color negro. Los juveniles carecen de color anaranjado y son marcadamente moteados de pardo oscuro y ocráceo, con parches de color naranja apareciendo gradualmente en el pecho y la cara.
El petirrojo europeo fue originalmente descrito con el nombre de Motacilla rubecula por Carlos Linneo en su obra del siglo XVIII Systema naturæ. Su epíteto específico rubecula es un diminutivo derivado de la palabra latina ruber (' rojo '). El género Erithacus fue creado por el naturalista francés Georges Cuvier en 1800, dando al ave su actual nombre binomial de E. rubecula.
El petirrojo europeo pertenece a un grupo de aves principalmente insectívoras que previamente fueron asignados a los tordos o papamoscas, dependiendo de cómo estos grupos fueron percibidos taxonómicamente. Finalmente, se volvió a analizar el conjunto de los papamoscas-tordos y el género Erithacus fue asignado a la tribu Saxicolini, un grupo de verdaderos papamoscas-tordos que también incluye el ruiseñor común y los Saxicolinae del Viejo Mundo.
Dos especies del Paleártico oriental, E. akahige y E. komadori —ese último con una distribución insular limitada— se colocan generalmente en el género Erithacus. Sin embargo, datos biogeográficos y las secuencias de ADNmt citocromo b indican que estas podrían mejor ser clasificadas con algunos "ruiseñores" del Extremo Oriente, dejando sólo las especies europeas en Erithacus.
James Clements reconoce las siguientes subespecies ( 2014 ):
E. r.
