Das auffälligste Merkmal der Birkenmaus ist ein 2–3 mm breiter schwarzer Strich, der entlang der Rückenmitte von der Kopfoberseite bis zum Schwanz verläuft. Der spärlich behaarte  Schwanz ist meist deutlich länger als der Körper (120–130 % der Körperlänge). Im Gegensatz zu echten Mäusen ist die Oberlippe der Birkenmaus nicht gespalten. Der Kopf wirkt insgesamt etwas spitzer als bei anderen Mäusen. Verwechslungsmöglichkeiten bestehen vor allem mit der Zwergmaus und der Brandmaus. Die ähnlich große Zwergmaus hat jedoch keinen Aalstrich und die Brandmaus ist größer wobei ihre Schwanzlänge jedoch unter der Körperlänge bleibt (ca. 75%), zudem sind die Augen und Ohren der Birkenmaus kleiner; die Augen befinden sie näher bei der Nasenspitze.

Die Aktivitätsschwerpunkte der Waldbirkenmaus liegen in der Dämmerung und Nacht, sie zeigt jedoch auch am Tag kurze Aktivitätsphasen. Innerhalb ihres Aktionsraums von 0,4–1,3 Hektar bewegt sie sich am Boden oder in Bodennähe und klettert in Sträuchern geschickt über lange Distanzen, wobei ihr der Schwanz als Balancierstab dient. Eine weitere Anpassung an das Klettern ist ihre Fähigkeit den fünften Zeh am Hinterfuß fast rechtwinkelig abzuspreizen. Dicht unter der Oberfläche legt sie 2–3 cm große Erdröhren an, welche durch ein Netzwerk aus Gängen in der Laub- und Streuschicht miteinander in Verbindung stehen. Die Ausgänge sind faustgroß erweitert und bilden 7 cm kleine Höhlen. Neben den 1–2 Ausgängen bestehen die flachen Baue aus 2 Kammern. Ihr rundes Nest baut sie in vorhandenen Strukturen wie hohlen Baumstämmen, zwischen liegendem Geäst, in trockenem Moos oder in dichtem Gras. Das Nest wird am Boden oder bis in eine Höhe von 1,5 m angelegt, besteht aus Rindenstücken, Gras und Moos und erreicht einen Durchmesser von 5–9 cm. Im Sommer besitzt sie auch weitere Tagesschlafplätze in dichter Vegetation. In einem größeren und gut isolierten Nest oder in frostfreien Erdbauen hält die Waldbirkenmaus ihren 6 – 8 Monate langen Winterschlaf, welche bei uns von Anfang Oktober bis Mitte April dauert. Im August und September erreicht sie durch vermehrte Nahrungsaufnahme ein Gewicht von ca. 13 g und wird mit sinkenden Temperaturen (unter 10°C) zunehmend träger. Wurden vorher warme und trockene Umgebungen bevorzugt, so wechselt die Waldbirkenmaus nun zu kälteren und feuchteren Schlafplätzen, um die Gefahr der Austrocknung zu reduzieren. Im Winterschlaf zehrt sie von ihren angefressenen Reserven und verliert bis zum Frühjahr ungefähr die Hälfte ihres Gewichts. Nach ihrem Erwachen verbringt sie viel Zeit mit der Nahrungssuche und legt nur wenige Ruhephasen ein. Während des Sommers kann sie bei tiefen Temperaturen erneut in Lethargie fallen.

Birkenmäuse erreichen die Geschlechtsreife erst in ihrem zweiten Lebenssommer und sind nur einmal im Jahr (Mai bis Mitte Juni) fortpflanzungsbereit. Nach einer Tragzeit von 18–24 Tagen kommen zwischen 2–6 Jungtiere (der Durchschnitt aus verschiedenen Teilen ihres Areals liegt bei 4,94) Jungtiere zur Welt. Die maximale Lebenserwartung wird auf 40 Monate geschätzt, die jährliche Sterblichkeit ist jedoch sehr hoch (etwa 80 %) wodurch kaum Tiere dieses Alter erreichen. Die Jungtiere öffnen erst nach 27–28 Tagen die Augen und werden fünf Wochen lang gesäugt.

Die Birkenmaus ernährt sich sowohl von tierischer als auch pflanzlicher Kost. Dazu zählen Früchte, Sämereien, grüne Pflanzenteile und Beeren. Darüber hinaus zeigt sie sich geschickt bei der Jagd auf Insekten wie Heuschrecken, Käfer, Ameisen und Fliegen sowie deren Larven. Je nach Angebot beträgt der Anteil pflanzlicher Nahrung bis zu 50 % .

Zu den natürlichen Feinden der Birkenmaus gehören Beutegreifer, Greifvögel und Eulen.

Lebensraumverlust durch Tourismus sowie land- und forstwirtschaftliche Tätigkeiten gefährden die häufig nur noch inselförmig verbreitete Waldbirkenmaus. Dies trifft besonders auf großflächige Nutzungsänderungen mit einhergehender Zerstörung der Pflanzendecke, Veränderung der Pflanzenartenzusammensetzung und des Grundwasserspiegels zu. Die Gefährdungssituation wird sich in den kommenden Jahren mit dem zu erwartenden Klimawandel verschärfen. So werden sich auch in den Alpen ihre bevorzugten Habitate rasch und stark verändern. Gebiete mit Vorkommen der Waldbirkenmaus bedürfen daher nach Meinig (2010) eines konsequenten Schutzes. Sie ist international durch die Berner Konvention (Anhang II) und durch die FFH-Richtlinie (Anhang IV) geschützt. In der Roten Liste Österreichs wird die Birkenmaus mit sehr geringem Bestand und sehr geringer Habitatverfügbarkeit sowie negativer Entwicklung der Habitatsituation als gefährdet, mit starker Verantwortlichkeit als Komponente der Schutzpriorität, genannt. In der Roten Liste Deutschlands wird sie als eine vom Aussterben bedrohte Art gelistet.

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