Ornitorenk keşfedildiği zaman bilimadamları, dişinin yumurta yumurtlayıp yumurtlamadığı konusunda ikiye ayrılmıştı. 1884′te W.H. Caldwell Avustralya’ya gönderilip 150 Aborjin’in yardımı ile birkaç yumurta buluncaya dek bu onaylanmamıştı.

Türün tek bir üreme mevsimi vardır. Çiftleşme kış sonunda ya da ilkbaharda olur. Yavrular suya ilk kez oyuklarda anneleri tarafından 3-4 ay emzirildikten sonra girer. Tarihsel gözlemler, işaretleme, tekrar yakalama çalışmaları ve ilk genetik çalışmalar ornitorenk nüfusunun yerleşmiş ve geçici bireylere sahip olduğuna ve çokeşli (poligyny) bir çiftleşme dizgesine işaret eder.

Üreme mevsimi dışında ornitorenk sudan yüksekliği 30 cm. kadar olan basit bir oyukta yaşar. Çiftleşmeden sonra dişi daha ayrıntılı ve uzunluğu 20 m’yi bulabilen, su yükseldiğinde korunmak için aralıklara tıkalı yeni bir oyuk kazar. Erkek, yavrulara bakma işiyle ilgilenmez ve yıllık oyuğuna geri döner. Dişi, oyuğun zeminini ıslak ve katlanmış ölü yapraklarla yumuşatır. Bu gereci kıvırdığı kuyruğu ile yuvaya taşır.

Ornitorenk kuş yumurtasından daha yuvarlak ve sürüngen yumurtasına benzeyen küçük kösele gibi yumurtalar bırakır. Dişi genelde 11 mm. çapında iki yumurta bırarır, ama kimi zaman bu sayı 1 ya da 3 olabilir. Yumurtladıktan sonra dişi bunların çevresine kıvrılır. Kuluçka süresi üç bölüme ayrılır. İlkinde embriyonun fonksiyonel organları yoktur ve yumurta kesesine (yolk sac) bağımlıdır. İkinci bölümde el ve ayak parmakları, üçüncüde ise yumurta dişi oluşur. Yaklaşık on günlük bir kuluçka süresinden sonra yumurtadan çıkan tüysüz yavrular annelerine tutunurlar.

Yumurtadan çıkan yavrular korumasız, çıplak ve kördür. Anne sütü ile beslenirler. Ornitorenkin memeleri olmasına karşın meme uçları yoktur. Dolayısıyla süt göğüste deri altındaki bezlerden salgılanır. Göğüsünde sütün biriktiği oluklar bulunur ve yavrular buradan süt içerler. Yumurtalar açıldıktan sonra anne yuvayı yalnızca yiyecek bulmak ve kürkünü ıslatmak için terkeder. Yuvadan ayrılırken oyuğun girişini toprak ile tıkar. Yavrular 3-4 ay meme emer ve 17 aylık olduklarında yuvayı terk eder.