虎鲸为多配性的。在西北太平洋，多数在5-7月间进行交配。在东北太平洋，它们大多在10月至次年3月间产仔。成年雄性体长5.2-6.2米，成年雌性体长4.6-5.4米。雌性在11-16年间生产第一个可存活的仔鲸。
虎鲸全年都可以交配，每当雌性动物进入发情期，虎鲸就可以繁殖，每年可能多次发生。但是，大多数繁殖都发生在夏天，虎鲸通常在秋天出生。雌性在6-10岁之间达到性成熟。雄性的性成熟年龄在10-13岁之间。雌虎鲸开始交配14-15岁。有记录的最年轻的母鲸是11岁。雌性每6-10年产一头仔鲸，它们在40岁左右停止繁殖。一般是25年内会产有4-6个后代。虎鲸一次只产一头仔鲸，偶尔也有双胞胎。断奶前，新生的仔鲸体长2-2.4米，出生时体重约136千克。在北太平洋记录的最小的新生仔鲸长2.28米仔鲸要哺乳约一年。一些研究表明，几乎所有新生仔鲸的一半都在它们出生的第一个生日之前死亡。
雌性虎鲸在繁殖后代上投入了大量精力。它们的妊娠期将近18个月，分娩和哺乳期12个月。在这段时间里，母亲们教它们的仔鲸去狩猎，并将其后代领入社交网络中。由于这些动物不是一夫一妻制，因此可以认为父亲交配后不参与养育。当仔鲸出生在群体中时，它依靠其母亲来获得营养和支持。独立后，仔鲸仍留在它们出生的族群中。在出生后的1-2年内，幼仔在饥饿或者呼唤雌兽时，只能发出粗厉的声音。以后随着年龄的增长逐渐模仿成体的声音，改进和丰富自己的叫声，但由于虎鲸的语言复杂而多变，幼仔要完全掌握成体的“语言”，至少需要花上5年多的时间。平均寿命估计达80-90年。雄性约在15龄达性成熟，平均寿命约29年，最大寿命约50-60年。