Como norma general, fuera de la temporada de apareamiento, los ornitorrincos viven en sencillas madrigueras de tierra, con la entrada a unos 30 cm por encima del nivel del agua. Después del apareamiento, la hembra construye una madriguera más profunda y elaborada de hasta 20 metros de longitud, taponandola a intervalos, quizás como método de protección contra la subida del nivel del agua o contra predadores, o como medio de regulación de la humedad y la temperatura.
La especie sólo tiene un período de apareamiento; después de un complicado cortejo que termina con la pareja nadando unida describiendo círculos lentamente, mientras el macho sujeta con el pico la cola de la hembra, la copulación se produce entre junio y octubre, con una cierta variación local a lo largo de su área de distribución. Estudios e investigaciones basadas en la genética de poblaciones, indican la posibilidad de que haya miembros permanentes y temporales en las poblaciones, sugiriendo por ello, un sistema de apareamiento poligínico (el macho tiene más de una pareja sexual con la que copular). Se cree que las hembras se vuelven sexualmente activas durante su segundo año de vida, y se ha confirmado que animales de más de nueve años de edad todavía se aparean.
El macho no desarrolla ningún papel en la cría de la descendencia, y se retira a su madriguera. La hembra recubre y acolcha la tierra de la madriguera con hojas muertas y húmedas y llena el nido al final del túnel con hojas muertas y cañas para realizar la cama, donde incubará sus huevos. Arrastra este material al nido enroscándolo con su cola.
Las hembras tienen un par de ovarios, pero sólo el izquierdo es funcional. Ponen entre uno y tres (generalmente dos) huevos pequeños y coriáceos (parecidos a los de los reptiles), que miden unos 11 mm de diámetro y son un poco más redondeados que los de las aves. Los huevos se desarrollan en el útero durante unos 28 días, con sólo unos 10 días de incubación externa (a diferencia de los huevos de gallina, que pasan un día en el tracto y tres semanas en el exterior). Tras la puesta de estos huevos pegajosos y de cáscara fina, la hembra se acurruca a su alrededor sosteniéndolos contra su vientre con la cola.
El período de incubación se divide en tres partes:
1. El embrión carece de órganos funcionales y se mantiene gracias al saco de vítelo, (el vítelo es absorbido por la cría en desarrollo en esta etapa).
2. Se desarrollan los dedos.
3. Aparece el «diente de huevo» (protuberancia craneal pequeña y aguda utilizada por las crías para romper o rasgar la cáscara del huevo al final del periodo de incubación).
Los recién nacidos son vulnerables, ciegos y sin pelo, y son alimentados con la leche de la madre. Aunque posee glándulas mamarias, el ornitorrinco carece de pezones; la leche se libera a través de los poros de la piel. La hembra tiene unos surcos en el abdomen que forman balsas de leche que permiten a las crías lamerla. Tras la eclosión, las crías son amamantadas durante tres o cuatro meses. Durante la incubación y el período de lactancia la madre inicialmente sólo deja la madriguera por períodos cortos de tiempo para buscar alimento. Cuando lo hace, crea una serie de delgados tapones de tierra a lo largo de la madriguera, posiblemente para proteger a las crías de los predadores; cuando empuja estos tapones durante el regreso, le absorben el agua del pelaje, lo que permite que la madriguera permanezca seca. Transcurridas unas cinco semanas, la madre empieza a pasar más tiempo separada de las crías y, cuando tienen unos cuatro meses, abandonan la madriguera. Los ornitorrincos nacen con dientes, pero se les caen a una edad muy temprana, dejando unas placas córneas con las que muelen la comida.
