在自然环境条件下，淡水小龙虾需要6-12月龄才能达到性成熟，性成熟时的体重多为25g以上，偶尔也有发现体重为15g的抱卵雌虾。但产卵群体中，以体重30g以上的个体为主。同龄亲虾中雄虾个体稍大于雌虾，雌雄性比接1:1。
淡水小龙虾的性成熟周期，因虾苗生长环境的不同而存在差异。在长江流域，春季孵化出膜的虾苗长至10-12月即可性成熟;夏、秋季孵化出膜的虾苗经越冬后，长至翌年5-10月即可性成熟;每年的9-11月初，是春季和夏、秋季繁育出的虾苗达到性成熟并产卵繁殖的重叠区，因此，该时期是淡水小龙虾产卵相对集中的繁殖高峰期。
只要水温适宜，淡水小龙虾一年中的任何时期都能交配产卵。在自然环境中,淡水小龙虾产卵有两个高峰期，一个为5月左右，另一个为9-11月。在我国多数地区，淡水小龙虾在一年中产卵高峰期主要在9-11月，1-2月由于水温太低，很少有虾产卵，3-8月水温开始慢慢升高，升至12℃以上时，性成熟的亲虾就有交配和产卵的活动性腺发育成熟后的雌虾，要蜕壳1次。在雌虾蜕壳之际，雄虾往往预先守候在雌虾的附近。一般待雌虾完成蜕壳后约4小时以后，雄虾接触雌虾。
交配时雄虾用一对强有力的大螯(第1螯足)夹紧雌虾大螯，胸腹部紧紧与雌虾身体相贴，这时雌雄两性相互拥抱。交配时间长短不一,一般为10-20分钟，但短者仅5分钟,长者能达1小时以上。鳌虾产卵前的交配次数不定,有的交配1次即可产卵,有的交配3-5次才产卵,交配间隔短者几小时,长者10多天。精卵结合后完成受精过程。雌雄虾之间存在着重复交配现象,部分雌虾交配后数天内就可以产卵,多数雌虾完成交配后经过数2月以上才产卵。
在自然水域中淡水小龙虾产卵行为大多在洞穴中进行，产卵时虾体弯曲，游泳足不停地扇动，以护住产出的卵粒，使卵粒从贮精囊上经过并获得受精，卵子受精后附着在游泳足的刚毛上，卵子随虾体的伸曲逐渐产出。整个产卵过程大约需10-30分钟。刚产出的卵为圆球形，呈淡黄色或黑褐色，随着胚胎发育的进展，受精卵逐渐呈棕褐色，未受精的卵逐渐变为混浊白色，脱离虾体。淡水小龙虾的产卵量较少，产卵粒多少与亲虾个体大小及营养有关。
胚胎发育
淡水小龙虾产卵后以抱卵的方式进行孵化，其胚胎发育时间较长，胚胎发育进程与水温高低有关，在正常生长温度范围内，水温高孵化时间短，如果水温过低，孵化期最长可达2个月。如一般10-15℃条件下，幼体孵化出膜需要40-50天;22-25℃时，需要19-25天可孵出幼体。
受精卵的颜色可随着胚胎发育的进程而变化，初产时卵色呈黑褐色，后期逐渐变淡，眼点出现后卵色变为棕褐色,随着部分黑色区域转为透明，表明胚胎已发育成熟，幼体即将孵出。亲虾在整个孵化过程中,亲虾的游泳足会不停的摆动，形成水流保证受精卵孵化对溶氧的需求。同时，亲虾会利用第2、第3步足及时剔除未受精卵及病变、坏死的受精卵，保证孵化的顺利进行。
幼体发育，刚孵出的I期幼体体色较淡，呈橘黄色或浅褐色，以卵黄囊作为营养来源。淡水小龙虾亲虾有护幼习性，I期幼体出膜后寄生在母虾腹部的腹肢上，幼体的头胸甲膨大、透明，尾扇的内外肢未形成，仅有尾节，外形与成虾有着明显的差异，无活动能力。
经过一次蜕皮后变态为Ⅱ期幼体，外形与成体已无明显差异，有活动能力，偶尔会离开母体觅食藻类和有机碎屑，但多数时间仍攀附于母虾腹肢上营寄生生活，待发育至Ⅲ期幼体时活动能力明显增强，通常围绕在母体四周活动和觅食，一旦有干扰或危险时就会立即返回母虾腹部。
Ⅲ期后的虾苗形态与成体完全相同，体长约1.0厘米，并开始独立生活。水温或洞穴内温度在20-32℃时，大约20-30天离开母体。晚秋时节孵化出来的仔虾，依附母体的时间达数月之久，经越冬后才离开母体。
由于母虾有护幼习性,因此产卵量虽少，但幼体的成活率较高，这也是淡水小龙虾分布范围和天然资源数量能够在短时间内得到快速扩大和较快递增的原因之一。在生长环境比较适宜的条件下，孵化出膜的I期幼体经过3个月的生长后，可长成体重25-40克的商品虾，生长速度较快。