Головоногі відкладають яйця, покриті товстою оболонкою. Стадія личинки відсутня. З яєць з'являються маленькі тварини, схожі на дорослі молюски. Самки кальмарів і каракатиць прикріплюють свої яйця до предметів під водою і залишають їх, а восьминоги охороняють свої кладки та молодь (піклування про потомство).
Головоногі роздільностатеві. Подібно до черевоногих молюсків, у них є одна розташована позаду гонада, яка пов'язана з цілим. Запліднення, як правило, зовнішнє та зазвичай здійснюється в мантійній порожнині, але буває і внутрішнє запліднення.
Усе головоногі є роздільностатевими організмами. Запліднення у них сперматофоре, тобто як статеві клітини виступають сперматофори. Розвиток потомства відбувається у яйці, яке до вилуплення знаходиться у мантійній порожнині самки.
Практично все головоногі молюски спаровуються і розмножуються один раз у житті.