Według Muzeum Paleontologii Uniwersytetu Kalifornijskiego rozmnażanie głowonogów różni się znacznie od strategii reprodukcyjnych większości innych mięczaków. Większość głowonogów istnieje jako dyskretne osobniki płci męskiej lub żeńskiej, zamiast być hermafrodytami, jak wiele prostych małży.
Przed rozpoczęciem nawożenia większość głowonogów angażuje się w skomplikowane rytuały zalotów. Rytuały te mogą obejmować choreograficzne ruchy i drastyczne zmiany kolorów. Gdy kobieta zaakceptuje postępy mężczyzny, umieszcza spermatofor w jej płaszczu lub jamie ciała. Ten transfer spermatoforu często pojawia się za pomocą penisa, ale niektóre gatunki używają macki. Niektóre gatunki mają wysoce zmodyfikowaną mackę, która służy temu celowi, zwana hectocotylus. U wielu gatunków hectocotylus oddziela się i pozostaje wewnątrz samicy.
Wiele głowonogów, takich jak mątwy i nautilusy, ginie po rozmnożeniu. Inne, takie jak ośmiornice, opiekują się jajami przez jakiś czas przed śmiercią. Większość jajek ośmiornicy wykluwa się przed śmiercią matki. Niektóre mniejsze gatunki żyją tylko przez około rok, podczas gdy największe gatunki kałamarnic pelagicznych żyją przez około siedem lat. Niedługo potem samica odkłada jaja w gronach na twardej powierzchni. Młode głowonogi wyłapują się w miniaturowe wersje dorosłych.
