Một con cá voi sát thủ đực đưa dương vật của mình vào âm đạo cá voi cái và tiết ra tinh dịch để thụ tinh cho trứng của cá cái. Cửa âm đạo của cá voi cái nằm ở giữa ba mảng gần đuôi cá voi cơ thể người. Hai bên thành âm đạo là các khe tuyến vú chứa núm vú cho con bú sẽ rút ra khi không sử dụng. Một khe đen duy nhất bao phủ dương vật nam giới.
Cá voi sát thủ là thành viên lớn nhất của họ cá heo. Chúng đạt đến độ thành thục sinh sản khi 15 tuổi đối với con cái và từ 15 đến 21 tuổi đối với con đực. Con cái có thể sinh sản cho đến tuổi 40. Con đực từ các vỏ khác nhau tranh giành quyền thụ tinh cho con cái. Sự thụ tinh không được đảm bảo khi thụ tinh do chu kỳ tương tự như chu kỳ của con người. Nói chung, một con cái sinh một con mỗi năm đến bảy năm và chăm sóc con cái trong hai năm. Cả bê cái và bê đực đều ở với mẹ suốt đời. Theo tổ chức Cá voi sát thủ, tỷ lệ tử vong đối với cá voi sát thủ sơ sinh, với chuột con chỉ có 50% cơ hội sống sót trong năm đầu tiên của chúng. Vỏ có cấu trúc theo mẫu hệ, vì vậy cá voi sát thủ non cũng được các thành viên khác, chủ yếu là những con cái vị thành niên chăm sóc.
