Vào lần đầu tiên bắt gặp thú mỏ vịt, các nhà tự nhiên học châu Âu đã tranh cãi về việc con cái có đẻ trứng hay không. Năm 1884, sau một cuộc tìm kiếm dài, William Hay Caldwell cùng đội hỗ trợ gồm 150 thổ dân bản địa đã phát hiện ra một số trứng.Thú mỏ vịt chỉ giao phối và sinh sản vào một mùa duy nhất từ tháng 6 đến tháng 10 hằng năm; khoảng thời gian này có thể thay đổi tuỳ theo các quần thể khác nhau ở các địa điểm phân bố khác nhau. Nhiều nghiên cứu quan sát, đánh dấu và bắt lại trước đây cùng các điều tra sơ bộ về di truyền trong quần thể đã cho thấy khả năng tồn tại của cả các nhóm ngắn hạn và dài hạn trong phạm vi quần thể, cũng như hệ thống giao phối đa thê. Các cá thể cái bắt đầu thuần thục vào tuổi thứ hai; quá trình phối giống được xác nhận là vẫn có thể xảy ra ở những con trên chín tuổi.Ngoài mùa giao phối, thú mỏ vịt thường sống ở một cái hang nông trong đất; lối vào cách mặt nước khoảng 30 cm (12 in). Sau khi giao phối, con cái sẽ đào một cái hang sâu và phức tạp hơn, có thể lên đến 20 m (66 ft), rồi chặn đường nối hai hang lại. Việc này giúp chống thuỷ triều dâng ngập hang và các loài săn mồi, cũng như điều chỉnh độ ẩm và nhiệt độ. Con đực không chăm sóc con non, nên sẽ lui về hang cũ của mình, còn con cái thì lót lá chết đã ẩm lên nền hang để làm tơi đất. Nó vận chuyển lá rụng và lau sậy về tổ bằng cách cuộn chúng trong chiếc đuôi lớn, rồi lấp đầy đoạn cuối đường hầm để làm ổ.Thú mỏ vịt cái có hai buồng trứng, nhưng chỉ buồng trứng bên trái có thể thụ tinh. Gen của thú mỏ vịt có thể là mối liên kết tiến hoá giữa hai hệ thống xác định giới tính XY (ở động vật có vú) và ZW (ở chim và bò sát), vì một trong số năm nhiễm sắc thể X của thú mỏ vịt chứa loại gen DMRT1 cũng xuất hiện ở nhiễm sắc thể Z của chim. Thú mỏ vịt thường đẻ mỗi lần từ một đến ba quả trứng nhỏ, nhiều lông (giống như trứng bò sát), có đường kính khoảng 11 mm (0,43 in) và hơi tròn hơn so với trứng chim. Quá trình phát triển trong tử cung của trứng kéo dài khoảng 28 ngày, còn thời gian ấp ngoài là 10 ngày. Thời gian ấp được chia làm ba giai đoạn. Trong giai đoạn đầu, phôi không có cơ quan chức năng và phải lấy chất dinh dưỡng từ túi noãn hoàng. Suốt quá trình phát triển, con non sẽ hấp thụ noãn hoàng. Các ngón và răng trứng sẽ lần lượt hình thành trong giai đoạn thứ hai và thứ ba.Những con thú mỏ vịt mới nở rất dễ bị thương, không thể tiếp nhận thông tin từ thị giác và không có lông, uống sữa mẹ để sống. Dù có tuyến vú, nhưng thú mỏ vịt lại không có núm vú. Do đó, sữa sẽ tiết qua lỗ chân lông, rồi đọng lại ở các rãnh trên bụng. Sau khi nở, con non được cho bú khoảng từ ba đến bốn tháng. Trong suốt thời gian ấp trứng và cai sữa cho con, ban đầu, thú mỏ vịt mẹ chỉ rời hang để kiếm ăn trong thời gian ngắn. Khi đi khỏi tổ, nó sẽ bới một số đụn đất nhỏ bít kín đường ra cửa hang, có lẽ vì để bảo vệ con khỏi thú săn mồi. Lúc về hang, thú mỏ vịt mẹ sẽ chui qua những lớp đất này; đất sẽ đẩy nước khỏi lông, giúp hang không bị ướt. Sau khoảng năm tuần, thú mỏ vịt mẹ sẽ đi khỏi hang nhiều hơn, và khi đã đủ bốn tháng tuổi, con non sẽ ra khỏi hang. Thú mỏ vịt có răng ngay từ khi sinh ra, nhưng những chiếc răng này sẽ nhanh chóng rụng đi, rồi thay bằng các mảng sừng dùng để nghiền thức ăn.
Vào lần đầu tiên bắt gặp thú mỏ vịt, các nhà tự nhiên học châu Âu đã tranh cãi về việc con cái có đẻ trứng hay không. Lúc về hang, thú mỏ vịt mẹ sẽ chui qua những lớp đất này; đất sẽ đẩy nước khỏi lông, giúp hang không bị ướt.