虎鯨的繁殖方式具有多配性的特點。它們全年都可以進行交配，但繁殖活動主要集中在夏季。在西北太平洋，虎鯨通常在5-7月間進行交配，而在東北太平洋，這一時間則大多在10月至次年3月間。雌性虎鯨在11-16年間生產第一個可存活的仔鯨，懷孕期大約爲12個月。虎鯨每次通常只產一頭仔鯨，偶爾也會有雙胞胎的情況。新生的仔鯨在出生時體長約爲2-2.4米，體重約136千克。它們需要哺乳約一年，哺乳期結束後，幼仔的體長可以達到2.28米。
雌性虎鯨在6-10歲之間達到性成熟，雄性的性成熟年齡則在10-13歲之間。雌性虎鯨通常在14-15歲開始交配，有記錄的最年輕的母鯨是11歲。雌性虎鯨每6-10年產一頭仔鯨，並在40歲左右停止繁殖。在北太平洋記錄的最小新生仔鯨長2.28米。一些研究表明，幾乎所有新生仔鯨的一半都在它們出生的第一個生日之前死亡。雌性虎鯨的產仔間隔約爲5年，但也有可能在某些情況下延長到30年以上。雌性虎鯨在40歲左右停止產仔後，生殖期平均約爲10年，但可以延長到30年以上。