Selon le Musée de paléontologie de l'Université de Californie, la reproduction des céphalopodes diffère grandement des stratégies de reproduction de la plupart des autres mollusques. La plupart des céphalopodes existent en tant qu'entités mâles ou femelles distinctes, plutôt que d'être hermaphrodites comme le sont de nombreux mollusques simples.
Avant la fécondation, la plupart des céphalopodes se livrent à des rituels de parade nuptiale élaborés. Ces rituels peuvent inclure des mouvements chorégraphiés et des changements de couleur drastiques. Une fois que la femelle a accepté les avances du mâle, celui-ci dépose un spermatophore dans son manteau ou sa cavité corporelle. Ce transfert de spermatophore se produit souvent à l'aide d'un pénis, mais certaines espèces utilisent plutôt un tentacule. Certaines espèces ont un tentacule hautement modifié qui sert à cet effet, appelé hectocotyle. Chez de nombreuses espèces, l'hectocotyle se détache et reste à l'intérieur de la femelle.
De nombreux céphalopodes, comme les seiches et les nautiles, meurent après la reproduction. D'autres, comme les poulpes, couvent leurs œufs pendant un certain temps avant de mourir. La plupart des œufs de poulpe éclosent avant la mort de la mère. Certaines des plus petites espèces ne vivent qu'environ un an, tandis que les plus grandes espèces de calmars pélagiques vivent environ sept ans. Peu de temps après, la femelle dépose les œufs en grappes sur une surface dure. Les jeunes céphalopodes éclosent en versions miniatures des adultes.
