การสืบพันธุ์ในสัตว์ทะเลหน้าดินจะพบได้ทั้งการสืบพันธุ์แบบมีเพศและการสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศ การสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศจะพบเป็นส่วนน้อยและพบในสัตว์ที่มีขนาดเล็กอยู่รวมกลุ่มกันสัตว์ทะเลที่มีการสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศ ได้แก่ฟองน้ำ ซึ่งสืบพันธุ์โดยการแตกหน่อ สัตว์ทะเลที่มีการสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศที่พบมากอีกกลุ่มหนึ่งคือพวกดอกไม้ทะเลและปะการัง พวกดอกไม้ทะเลสามารถสลัดส่วนเท้าที่ใช้ยึดเกาะกับพื้นทิ้งไว้ให้งอกขึ้นมาเป็นตัวใหม่ได้ การที่สัตว์ทะเลหน้าดินสามารถสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศได้ก็มีผลดีคือสามารถเพิ่มจำนวนได้อย่างรวดเร็ว โดยการแบ่งตัวหรือแตกหน่อเพื่อครอบครองพื้นที่ที่เหมาะสมแก่การลงเกาะของตัวอ่อน นอกจากนี้มันยังไม่ต้องเสียพลังงานมากในการผสมพันธุ์หรือในการรอโอกาสเพื่อให้เชื้อตัวผู้และเชื้อตัวเมียมาผสมกันตัวอ่อนของปะการังที่พร้อมจะลงเกาะจะทำการสำรวจพื้นที่ลงเกาะ เมื่อพบบริเวณที่เหมาะสมมันจะจมตัวลงจากมวลน้ำลงเกาะที่พื้นเจริญเป็นตัวแก่หนึ่งตัวเรียกว่า โพลิป โพลิปมีลักษณะเป็นทรงกระบอกมีส่วนท้ายยึดเกาะกับพื้นและด้านตรงข้ามเป็นรยางค์ส่วนหนวดอยู่ล้อมรอบปาก จากโพลิปหนึ่งตัวของปะการังก็จะมีการแตกหน่อไปเรื่อยๆ จนกลายเป็นปะการังแต่ละหัวที่เราเห็นซึ่งประกอบด้วยโพลิปอีกหลายพันตัวไส้เดือนทะเลจำพวกแม่เพรียงก็มีการสืบพันธุ์แบบไม่มีเพศโดยการแยกส่วน (Fragmentations)ซึ่งเป็นการเตรียมการขั้นสำคัญสำหรับการผสมพันธุ์แบบมีเพศ ไส้เดือนทะเลเหล่านี้ในฤดูกาลผสมพันธุ์จะมีลำตัวแบ่งเป็นปล้อง แต่ละปล้องเป็นเสมือนตัวเล็กที่พร้อมจะผสมพันธุ์ ดังนั้นในแต่ละปีไส้เดือนทะเลเหล่านี้จะมีการรวมกลุ่มกันที่ผิวหน้าน้ำโดยเฉพาะในยามพระจันทร์เต็มดวงมันจะว่ายน้ำไปมาและสลัดปล้องออกมา ปล้องแต่ละปล้องเหล่านี้จะจับคู่กันและผสมพันธุ์เป็นตัวใหม่ขึ้นมา ไส้เดือนทะเลเหล่านี้มักจะเรืองแสงเป็นสีเขียวแกมแดงด้วย ทำให้ผิวน้ำตอนกลางคืนแสงระยิบระยับที่เรียกกันว่า พรายน้ำ
การสืบพันธุ์แบบมีเพศจะพบมากที่สุดในกลุ่มสัตว์ทะเลหน้าดิน โดยที่เชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้และตัวเมียจะรวมกันเป็นตัวอ่อนซึ่งจะเจริญต่อไปเป็นตัวแก่ เราพบว่าสัตว์ทะเลหน้าดินบางชนิดจะมีลักษณะเป็นกะเทย (Hermaphroditism) โดยที่ในตัวเดียวกันนั้นจะมีทั้งเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้และตัวเมียอยู่ด้วยกัน เช่น พวกเพรียงหิน เพรียงหินจะไม่ปล่อยเชื้อสืบพันธุ์ของมันออกสู่มวลน้ำในทะเล เมื่อพร้อมที่จะผสมพันธุ์ เพรียงหินจะยืดส่วนอวัยวะเพศผู้ซึ่งมีลักษณะเป็นท่อเรียวยาวออกสัมผัสกับตัวอื่นที่อยู่ใกล้เคียงเป็นการหาคู่เมื่อเลือกคู่ได้แล้วมันจะใช้ส่วนอวัยวะเพศผู้สอดเข้าไปในตัวอื่นเพื่อถ่ายเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้ลงไปให้ผสมพันธุ์ ไข่ที่ถูกผสมแล้วจะเจริญภายในเพรียงหินตัวแม่จนกลายเป็นตัวอ่อนระยะนอเพลียสตัวอ่อนระยะนี้ว่ายน้ำได้ดำรงชีพเป็นแพลงก์ตอนเพรียงหินแต่ละตัวอาจปล่อยตัวอ่อนระยะนอลเพลียสได้ครั้งละประมาณ ๑๓,๐๐๐ ตัว ตัวอ่อนระยะนอเพลียสจะมีลักษณะคล้ายครัสเตเชียนทั่วไปที่มีลักษณะเปลือกหุ้มตัวและมีรยางค์เป็นปล้องมันจะมีการลอกคราบเป็นระยะๆ ในขณะที่มีการเติบโตจากตัวอ่อนระยะนอเพลียสเป็นตัวอ่อนระยะไซพริด (cyprid larvae) ลำตัวของตัวอ่อนระยะนี้ถูกห่อหุ้มด้วยเปลือกที่มีลักษณะคล้ายฝาหอยและมีรยางค์เพิ่มขึ้นจากเดิม รยางค์ส่วนหนวดยาวขึ้นมาก ตัวอ่อนระยะนี้จะว่ายน้ำลงสัมผัสกับพื้นท้องทะเลเพื่อหาพื้นที่ลงเกาะ ตามปกติมันจะชอบลงเกาะบริเวณที่มีตัวแก่ของเพรียงหินเกาะอยู่ก่อนแล้วและชอบบริเวณพื้นผิวที่หยาบจากการทดลองล่อลูกเพรียงหินด้วยวัสดุที่มีพื้นผิวต่างๆ กัน พบว่าท่อประปาพีวีซีที่มีผิวเรียบมากนั้นก็มีเพรียงลงเกาะได้ ดังนั้นจึงไม่น่าประหลาดใจที่เราหย่อนเชือกทิ้งไว้ในทะเลก็มีเพรียงมาเกาะเต็ม เราอาจพบเพรียงหินเกาะอยู่ตามผิวหนังของพวกปลาวาฬด้วยนอกเหนือจากพื้นผิววัสดุต่างๆเมื่อตัวอ่อนระยะไซพริดพบพื้นผิวที่มันต้องการลงเกาะแล้ว มันจะลงเกาะติดโดยอาศัยสารจำพวกหินปูนซึ่งหลั่งออกมาจากต่อมพิเศษที่อยู่ที่หนวดของมัน มันจะมีการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอีกครั้งหนึ่ง มีการสร้างเปลือกห่อหุ้มตัวมันโดยเริ่มจากแผ่นล่างสุดที่ยึดตัวมันเองกับพื้นและสร้างเปลือกอื่นๆ ซึ่งเคลื่อนที่ออกจากกันได้ รยางค์ส่วนอกที่ยื่นออกมาจากเปลือกหุ้มตัว จะทำหน้าที่หลักในการกรองอาหารจากน้ำและส่งเข้าปากในเพรียงหินที่โตเต็มวัย
การเป็นกะเทยอีกรูปแบบหนึ่งที่พบมากในพวกสัตว์ทะเลที่ไม่มีกระดูกสันหลังคือการมีเพศสลับกันในขณะที่มีการเจริญวัย เช่น หอยนางรมในระยะแรกจะเป็นตัวผู้ แต่พอเจริญวัยมากขึ้นจะกลายเป็นตัวเมีย ปลาที่อาศัยอยู่บริเวณแนวปะการังจะมีลักษณะเป็นกะเทยโดยที่เป็นตัวเมียในระยะแรกต่อมากลายเป็นตัวผู้ การที่มีเพศสลับกันตามอายุของสัตว์นี้เป็นการคัดเลือกตามธรรมชาติที่บางช่วงต้องการเพิ่มประสิทธิภาพในการแพร่ขยายพันธุ์ และบางช่วงต้องการเพิ่มประสิทธิภาพในการเติบโตและแข่งขันแก่งแย่งกับตัวอื่น
การสืบพันธุ์แบบมีเพศซึ่งมีเพศผู้และเพศเมียแยกออกจากกันนั้นช่วยในการคัดเลือกพันธุ์ทำให้เกิดยีนที่หลากหลาย ปัญหาที่สำคัญคือการปรับตัวเพื่อให้มีการย้ายถ่ายเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้ให้ได้ผสมกับเชื้อสืบพันธุ์ตัวเมียหรือไข่ การขนย้ายถ่ายเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้ในสัตว์ทะเลหน้าดินอาจทำได้หลายวิธี คือ การปล่อยเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้และเชื้อสืบพันธุ์ตัวเมียออกมาในเวลาเดียวกันในมวลน้ำเพื่อให้มีโอกาสผสมพันธุ์กัน ซึ่งวิธีนี้พบมากในสัตว์ทะเลทั่วไป เช่น ฟองน้ำ ปะการัง หอยสองฝา และไส้เดือนทะเลพวกแม่เพรียง เราพบว่าการปล่อยไข่และเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้ของสัตว์ตัวใดตัวหนึ่งมักกระตุ้นให้ตัวอื่นปล่อยเชื้อสืบพันธุ์ออกมาด้วยในเวลาเดียวกัน ดังเช่นการรวมกลุ่มของไส้เดือนทะเลพวกแม่เพรียงและฤดูกาลการปล่อยไข่และเชื้อสืบพันธุ์ของปะการังในแนวปะการัง
การขนย้ายถ่ายเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้อีกวิธีหนึ่งคือการที่มีอวัยวะพิเศษที่ทำหน้าที่นำเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้เข้าไปผสมพันธุ์ในสัตว์เพศเมีย วิธีนี้จะเป็นการประกันอย่างดีว่าเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้จะมีโอกาสผสมพันธุ์กับไข่ นอกจากนี้ยังเป็นการให้โอกาสในการเลือกคู่ของสัตว์ทะเลอีกด้วย กลยุทธ์นี้พบมากในพวกครัสเตเชียน เช่น พวกกุ้ง และปู พวกปูม้าตัวผู้และตัวเมียจะสังเกตเพศได้ง่ายจากลักษณะตะปิ้งปูคือส่วนท้องที่พับงออยู่ใต้ส่วนกระดองปู ในปูตัวผู้มีลักษณะตะปิ้งเป็นรูปสามเหลี่ยมในขณะที่ปูตัวเมียจะมีลักษณะเป็นครึ่งวงกลมขนาดใหญ่ ในช่วงที่มีการผสมพันธุ์ปูตัวผู้และปูตัวเมียจะกอดรัดสัมผัสกัน ปูตัวผู้จะมีอวัยวะเพศที่อยู่บริเวณตะปิ้งจำนวน ๑ คู่ ที่ทำหน้าที่นำเชื้อสืบพันธุ์ตัวผู้เข้าไปในช่องเปิดอวัยวะสืบพันธุ์ของปูตัวเมีย ตามปกติปูจะมีการลอกคราบเป็นระยะๆ ปูตัวผู้มักจะลอกคราบก่อนฤดูกาลผสมพันธุ์ แต่ปูตัวเมียเมื่อพร้อมที่จะผสมพันธุ์จะเริ่มดำเนินการลอกคราบ ปูตัวเมียอาจมีการปล่อยสารเคมีบางอย่างออกมากับมวลน้ำเป็นการล่อตัวผู้ ปูตัวผู้จะกอดรัดจับปูตัวเมียไว้แน่นจนกระทั่งตัวเมียเริ่มลอกคราบ ปูตัวผู้จะคลายการกอดรัดเพื่อให้ปูตัวเมียสามารถดีดตัวออกจากคราบเก่า เมื่อกระดองใหม่ของปูตัวเมียเริ่มแข็งตัวนั้นจะเป็นช่วงที่ปูตัวเมียยินยอมให้ปูตัวผู้สอดอวัยวะเพศเข้าไปในตัวมันเพื่อผสมพันธุ์ปูตัวผู้จะยังคงกอดรัดปูตัวเมียไว้แน่นจนกว่ากระดองของปูตัวเมียจะแข็งขึ้นซึ่งเป็นการปกป้องปูตัวเมียไว้ด้วย
ไข่ที่ถูกผสมแล้วจะถูกปล่อยออกมาจากช่องเปิดอวัยวะสืบพันธุ์ของตัวเมีย ไข่เหล่านี้จะถูกยึดเกาะบริเวณตะปิ้งปูภายนอก ไข่จะเกาะเป็นพวงและเติบโตอยู่ระยะหนึ่ง อาจใช้เวลาเป็นสัปดาห์กว่าไข่เหล่านี้จะฟักออกมาเป็นตัวอ่อนระยะซูเอีย (zoae larvae) ตัวอ่อนระยะซูเอียจะว่ายน้ำเป็นอิสระดำรงชีพเป็นแพลงก์ตอน สามารถจับแพลงก์ตอนชนิดอื่นเป็นอาหารได้ ตัวอ่อนระยะนี้จะมีการลอกคราบอีกหลายครั้งกว่ามันจะเจริญเป็นระยะที่สองซึ่งมีลักษณะคล้ายคลึงปูขนาดเล็ก เราเรียกตัวอ่อนระยะนี้ว่าตัวอ่อนระยะตัวอ่อนเมกะโลปา (megalopa larvae) ตัวอ่อนระยะดังกล่าวจะจับตัวลงสู่พื้นและเจริญเป็นปูที่โตเต็มวัยต่อไป
เรามักพบว่าสัตว์ทะเลบางชนิดที่ประสบปัญหาในการจับคู่ ตัวผู้จะมีขนาดเล็กลงและเกาะอยู่บนตัวของตัวเมียที่มีขนาดใหญ่กว่า เป็นการประกันว่าจะมีโอกาสผสมพันธุ์แน่นอน ลักษณะดังกล่าวพบในพวกไส้เดือนตัวกลมที่มีขนาดเล็กและฝังตัวอยู่ในดิน สัตว์ทะเลบางชนิดที่ดำรงชีพเป็นพยาธิก็จะมีลักษณะการสืบพันธุ์แบบนี้ การเปลี่ยนแปลงสภาวะแวดล้อมโดยเฉพาะอุณหภูมิความเค็ม ความเข้มของแสง และปริมาณอาหารจะมีอิทธิพลในการกำหนดช่วงเวลาสืบพันธุ์ของสัตว์ทะเล ฤดูกาลผสมพันธุ์ของสัตว์ทะเลหน้าดินในเขตหนาว ขึ้นกับอุณหภูมิและปริมาณอาหารเป็นสำคัญ นอกจากนี้ยังขึ้นกับช่วงพระจันทร์เต็มดวงหรือช่วงเดือนมืด แต่สัตว์ทะเลหน้าดินในเขตร้อนเช่นบ้านเรานั้นมักวางไข่ต่อเนื่องตลอดทุกเดือนแต่อาจมีช่วงที่วางไข่หรือปล่อยเชื้อสืบพันธุ์สูงสุดประมาณสองช่วงต่อปี ช่วงเวลาดังกล่าวมักเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความเค็มและปริมาณอาหารในมวลน้ำ
