Giống như hầu hết các loài động vật có vú, cá voi đực có dương vật và cá cái có âm đạo; tuy nhiên, những con đực giữ bộ phận sinh dục của chúng ẩn trong một cái hốc. Chúng giao phối dưới nước, nằm úp bụng với nhau và có thể giao phối khi đứng yên hoặc bơi. Cả con đực và con cái giao phối với nhiều cá voi để tăng cơ hội sinh sản.
Cá voi trưởng thành về mặt sinh dục khi chúng được 8 đến 10 tuổi và con cái sinh đẻ vài năm một lần. Thời gian mang thai chính xác khác nhau tùy theo loài; Trong khi bê của cá nhà táng phải mất 11 tháng, bê của cá nhà táng có thể mất đến 15. Chúng sẵn sàng bơi từ lúc mới sinh và nuôi con cho đến khi được 6 tháng tuổi. Trước khi con cái sẵn sàng giao phối trở lại, nó phải nghỉ ngơi thêm sáu tháng sau khi bê con cai sữa. Tuy nhiên, các loài cá voi có tính xã hội cao hơn nuôi dưỡng trong thời gian dài hơn. Cá nhà táng nuôi dưỡng đến hai năm. Việc cai sữa hoàn toàn có thể mất thêm thời gian.
Mặc dù cá voi nhìn chung rất hòa đồng và thân thiện với nhau, nhưng những con cá voi có thể trở nên rất căng thẳng khi con đực chiến đấu vì tình cảm của con cái. Tuy nhiên, rất hiếm khi có chấn thương nghiêm trọng xảy ra trong những trận đấu này. Âm thanh của tiếng gọi của chúng thay đổi một cách tinh vi, thường thu hút sự chú ý của những con cá voi đực khác đến để sinh sản và giảm khả năng giao phối cận huyết.
