У хламидомонады два способа размножения — бесполый и половой. В первом случае клетка останавливается, теряет жгутики и протопласт последовательно делится на 2,4 или 8 частей, каждая из которых одевается собственной оболочкой, вырабатывает жгутики и покидает материнскую клетку в виде зооспоры. Достигая размеров материнской особи, хламидомонады снова приступают к размножению. Половой процесс изогамный или даже оогамный. Гаметы образуются внутри материнской клетки так же, как и зооспоры, но в большем количестве (16,32 или 64), и они, естественно, меньших размеров. Процесс оплодотворения происходит в воде. Оплодотворенная яйцеклетка покрывается многослойной оболочкой и оседает на дно водоема. После периода покоя зигота делится мейотически с образованием четырех дочерних особей хламидомонады. Хламидомонада может размножаться делением клетки пополам.