Cá voi sát thủ, giống như tất cả các động vật có vú khác, sinh sản thông qua sinh sản hữu tính, đòi hỏi sự kết hợp giữa tinh trùng của cá voi sát thủ đực với trứng của cá voi sát thủ cái. Khi quá trình thụ thai xảy ra, trứng đã thụ tinh sẽ phát triển thành một động vật có vú non và nằm trong tử cung của mẹ trong khoảng 17 tháng trước khi được sinh ra.
Sau khi trưởng thành về mặt sinh dục, cá voi sát thủ cái thường sinh một con duy nhất từ ba đến năm năm một lần, một phần là do cá voi sát thủ cái có thời gian mang thai dài như vậy. Ngoài ra, con của cá voi sát thủ phụ thuộc vào sữa mẹ của nó trong khoảng hai năm sau khi sinh.
Bất chấp sự chăm sóc tuyệt vời của mẹ chúng, chỉ khoảng một nửa số bê con của cá voi sát thủ sống qua năm đầu đời của chúng. Cá voi sát thủ mất khoảng 15 năm kể từ khi sinh ra để đạt đến sự trưởng thành về mặt sinh dục, và cá voi sát thủ cái thường ngừng sinh sản khi chúng khoảng 40 tuổi, mặc dù chúng có thể sống đến 80 năm. Những con cái già không còn khả năng sinh sản giúp bảo vệ những con non của những con cái trẻ hơn và cũng để hòa nhập xã hội với những con cá voi sát thủ non.
Cá voi sát thủ thường ngừng sinh sản khi điều kiện sống của chúng không thuận lợi. Thiếu thức ăn, ô nhiễm và tiếp xúc với âm thanh lớn làm hạn chế khả năng giao tiếp của chúng là tất cả những điều kiện có thể ngăn cá voi sát thủ giao phối hoặc sinh con. Cá voi sát thủ sẽ không sinh sản nếu không có bạn tình phù hợp từ bên ngoài các nhóm xã hội hoặc nhóm của chúng.
