Katil balinalar, diğer tüm memeliler gibi, bir erkek katil balina sperminin dişi bir katil balina yumurtası ile birleşmesini gerektiren, cinsel üreme yoluyla ürer. Gebe kaldıktan sonra döllenmiş yumurta, doğmadan yaklaşık 17 ay önce annesinin rahminde kalan genç bir memeliye dönüşür.
Cinsel olgunluğa ulaştıktan sonra, dişi katil balinalar normalde her üç ila beş yılda bir tek bir buzağı doğurur, bunun nedeni kısmen dişi katil balinaların bu kadar uzun bir gebelik süresi olmasıdır. Ayrıca, katil balinaların yavruları doğumdan sonra yaklaşık iki yıl boyunca annesinin sütüne bağlıdır.
Annelerinin verdiği büyük özen göstermesine rağmen, katil balina buzağılarının yalnızca yarısı yaşamlarının ilk yıllarını geçiyor. Katil balinalar doğumdan itibaren cinsel olgunluğa ulaşmak için yaklaşık 15 yıl alır ve dişi katil balinalar genellikle yaklaşık 40 yaşındayken üremeyi bırakır, ancak 80 yıla kadar yaşayabilirler. Artık üreyemeyen yaşlı kadınlar, genç kadınların baldırlarını korumaya ve ayrıca genç katil balinaları sosyalleştirmeye yardımcı olmaktadır.
Katil balinalar, yaşam koşulları uygun olmadığı zaman çoğalmayı durdururlar. Besin eksikliği, kirlilik ve iletişim yeteneklerini sınırlayan yüksek seslere maruz kalma, katil balinaların çiftleşmesini veya gençleşmesini engelleyebilecek koşulların tümü. Katil balinalar, kendi sosyal gruplarının veya baklalarının dışından uygun uygun arkadaş yoksa üremezler.
