Головоногі роздільностатеві. Подібно до черевоногих молюсків, вони мають одну розташовану ззаду гонаду, яка пов’язана з целомом. Запліднення, як правило, зовнішнє і зазвичай здійснюється в мантійній порожнині, але буває і внутрішнє запліднення.

Усі головоногі є роздільностатевими організмами. Запліднення в них сперматофорне, тобто як статеві клітини виступають сперматофори. Розвиток потомства відбувається в яйці, яке до вилуплення перебуває в мантійній порожнині самки.

Головоногі відкладають яйця, вкриті товстою оболонкою. Стадія личинки відсутня. З яєць з’являються маленькі тварини, схожі на дорослих молюсків. Самки кальмарів і каракатиць прикріплюють свої яйця до предметів під водою і залишають їх, а восьминоги охороняють свої кладки і молодь (турбота про потомство).

Зазвичай у розмноженні головоногий молюск бере участь тільки один раз, а потім гине. Головоногі відкладають яйця, вкриті товстою оболонкою.