La plus part des données concernant la reproduction et le développement des cétacés ont trait aux espèces jadis chassées pour leurs valeurs commerciale et économique. Elles ont été recueillis par les chercheurs attachés aux navires t aux stations baleiniers, ainsi qu'aux musées qui leur ont été consacrés. Plus récemment, des spécimens d'espèces tuées accidentellement lors de compagnes de pêche consacrées à d'autres créatures marines ont élargi le champs d'investigation des scientifiques. Ainsi, on estime à plus d'un million le nombre de dauphin à long bec et de dauphin tachetés qui se sont noyés dans les filets des thonniers. Les "araignées" (filet à mailles ténues) déployées près des côtes ont fait payer un lourd tribut aux cétacés de petite taille qui évoluent dans les eaux peu profondes.

Au cours de l'adaptation à la vie aquatique, le carénage du corps des cétacés a impliqué la modification de leurs organes génitaux externes. Noyer dans la masse du corps, ils sont difficiles à distinguer. La différence la plus marquée entre les 2 sexes est la distance qui sépare la fente génitale da l'anus, elle représente quelques 10% de la longueur du corps chez les mâles, alors que la vulve semble prolonger l'anus chez les femelles. Les glandes mammaires des femelles ne sont guère visible : les 2 mamelons sont disposés dans d'autres fentes situées de part et d'autre de la fente génitale. Ils n'en sortent que lors de l'allaitement.

Un examen superficiel de la surface ventrale ne suffit pas pour déterminer le sexe des cétacés. Mâle et femelle possèdent tous deux un nombril, une fente génitale et un anus, mais chez la femelle, de petites fente mammaires flanquent une ouverture génitale plus proche de l'anus que celle des mâles.

L'observation des dauphins et des petits cétacés en captivité a permis d'étudier leur processus de reproduction, celui des grandes espèces océaniques est inconnu. La parade nuptiale et l'accouplement des cétacés ne visent pas nécessairement à la reproduction, ils serviraient aussi à accueillir des individus ou des groupes d'individus, ou à renouer des relations après une période de séparation. Captifs, ces animaux déploient une grande activité sexuelle.

Chez de nombreux mammifères l'odorat joue un rôle important dans la reconnaissance d'un partenaire éventuel. Les cétacés pallient la carence de leur sens olfactif en développant des techniques particulières de comportement. Ainsi, certaines activités des mégaptères ont été associées à la sexualité : comme le roulement du corps sur lui-même, le fouettement de la surface de l'eau avec les longues nageoires pectorales, le battement de la queue et les sauts.Quelques unes de ces actions constituent sans doute à intimider d'éventuels prétendants. Si un concurrent devient trop entreprenant, le mégaptère frappe de la tête ou donne d'impressionnants coups de queue latéraux.

Chez les cétacés, certains comportements d'apparence sexuelle sont en fait des activités compensatoire. Les mégaptères peuvent adopter des conduites sexuelles très variées, par exemple fouetter l'eau de leurs nageoires.

Il n'y a aucunes données relative à la durée et à la fréquence de la copulation chez les baleines. Chez le tursiops en captivité, l'intromission dure de 2 à 10 sec. En captivité, les dauphins mâles tentent parfois de s'accoupler avec des partenaires appartenant à d'autres espèces, à d'autres genres et même à d'autres familles, ils engendrent parfois une progéniture. A l'état sauvage, ces rejetons ne seraient pas viables (il est même peu probable qu'ils pourraient exister). Les accouplement entre individus d'espèces différentes n'étant alors guère probables.  

Le développement prénatal des cétacés est similaire, dans les principes généraux, à celui des autres mammifères. La gestation dure de 10 à 12 mois chez la plus part des mysticètes, et probablement 12 mois (ou un peu moin) chez les espèces migratrices (comme les mégaptères) qui doivent ajuster l'accouplement et la naissance à leur déplacements saisonniers. La période de gestation des odontocètes varie de 9 à 18 mois selon l'espèce. Les jeunes ne naissent pas la tête en 1er comme chez tous les mammifères mais dans le sens inverse (nageoires caudale en avant). Cette présentation par le siège ne semble pas poser de problèmes particuliers aux cétacés, le fœtus ayant un profil fusiforme. En outre, si la tête émergeait en 1er, le nouveau-né pourrait ouvrir la bouche et avaler de l'eau, ou commencer à respirer sous l'eau avant d'être totalement dégagé. La parturition est rapide, le jeune doit faire surface aussitôt que le cordon ombilical est coupé, sous peine d'anoxie. En outre des mécanismes encore inconnus doivent empêchent le nouveau-né de respirer jusqu'à ce que son évent émerge de l'eau.

Les dauphins naissent les nageoires caudales en 1er, comme ont peut le voir sur ces photos. Souvent assisté par sa mère, le nouveau-né cerche aussitôt à remonter à la srface pour y inspirer ses 1er bouffées d'air.

Dans de nombreuses espèces la femelle pleine cherche la compagnie d'une autre femelle qui jouera le rôle de "tante". C'est avec son aide que le nouveau-né est amené à la surface. La mère et sa compagne mèneront une garde vigilante autour du petit, tentant d'écarter les intrus. Les "tantes" portent les jeune malades (même morts) jusqu'à l'air libre. La légende veut qu'elles aient ainsi sauvé des êtres humains confondus avec leurs propres jeunes en difficulté. En captivité, ces femelles ne portent guère d'intérêt aux bébé en mauvaise santé ou mort-né. Plus d'une fois on a observé que la mère ou un autre animal du groupe entraînait et maintenait au fond de l'eau un rejeton malade ou mort-né.

Le jeune est allaité sous l'eau, mais à proximité de la surface où mère et enfant viennent régulièrement respirer. Disposant d'une relative autonomie dès sa naissance, le petit reste dans le voisinage immédiat de sa mère pendant les 1er jours ou les 1er semaines de sa vie. La lactation dure de 4 à 11 mois chez les rorquals, elle est bien plus courte chez les espèces de taille plus réduite. Elle est en revanche plus longue chez les odontocètes, une année ou plus encore.