Половой диморфизм по внешнему виду хорошо развит у многих видов китообразных.
Большинство китообразных размножается через 2 года, но изредка некоторые дельфины спариваются, еще не закончив выкорм потомства, и, возможно, плодятся ежегодно. Беременность у разных видов продолжается от 10 до 16 месяцев. Далеко мигрирующие виды (полосатики) родят главным образом зимой в относительно теплых водах, а не совершающие больших миграций (дельфины) - летом, но в обоих случаях при благоприятных температурных условиях.
Ухаживание и спаривание может быть долгим и увлекательным делом, с совместными прыжками в воде, играми, с преследованием, прикосновениями друг к другу и ласками в течение нескольких часов прежде, чем эти две особи соединятся вместе, брюхо к брюху. Причем эти детали поведения у всех видов разные.
Во время гона наблюдаются драки между самцами, после чего на теле остаются следы зубов. Единственный хорошо развитый детеныш рождается очень крупным (от1/4 до 1/3 длины тела матери) . Изредка в одной самке находят несколько зародышей. У финвала однажды найдено 6 зародышей, а у синего кита 7. Это свидетельство былого многоплодия предков китообразных. Лишние зародыши обычно рассасываются, и только очень редко могут родиться двойни. Для зубатых китов известны случаи межродовых гибридов. После достижения возраста, приемлемого для размножения, самки большинства видов проводят всю свою взрослую жизнь или с маленьким детенышем, или с плодом, растущим внутри них, или одновременно и так, и так.