Zīdītāju vairošanos nodrošina vairošanās orgānu sistēma.
Vīrišķie dzimumorgāni sēklinieki producē vīrišķās dzimumšūnas spermatozoīdus, bet sievišķie dzimumorgāni olnīcas - sievišķās dzimumšūnas olšūnas.
Lai varētu notikt apaugļošanās, spermatozoīdi ar kopulācijas orgāna palīdzību tiek ievadīti mātītes dzimumceļos, kur notiek dzimumšūnu saplūšana. Apaugļotā olšūna attīstās par dīgli, pēc tam par augli.
Augļa attīstības laiks dažādiem zīdītājiem ir dažāds, piemēram, pelēm - 20 dienas, suņiem 2 mēneši, bet ziloņiem - 22 mēneši.
Pēc vairošanās veida zīdītājus iedala 3 grupās.
Oldējēji jeb kloākaiņi izdēj olas, kuras silda. Izšķiļas mazuļi, kurus baro ar pienu.
Pīļknābji dzīvo Austrālijā un Tasmānijā. Dzīvnieks barību meklē ūdenī, bet midzeni ierīko uz sauszemes. Mātīte izdēj midzenī olas, kuras silda apmēram 10 diennaktis. Mazuļi laiza pienu, kurš izdalās mātītei uz vēdera, jo zīdekļu nav.
Ehidnas sastopamas Austrālijā un Jaungvinejā. Tās ir sauszemes dzīvnieki. Mātīte izdēj olu, ko novieto ādas krokā uz vēdera. Kad mazuļi izšķiļas, tie laiza pienu, kurš izdalās ādas krokā.
Ķenguru mazulis pēc piedzimšanas iekļūst somā, kur barojas ar pienu un attīstās.
Ķenguri ir bezplacentāļi, kuru mazuļi piedzimst neattīstīti.
Koalas mazulis 6 mēnešus pavada somā, pēc tam tiek nēsāts uz muguras līdz gada vecumam.
Visi Latvijā sastopamie zīdītāji pieder pie placentāļiem. To mazulis attīstās dzemdē un ar nabas saiti ir piesaistīts asinsvadu tīklam - placentai, caur kuru saņem barības vielas no mātes asinsrites. Caur nabas saiti no embrija tiek izvadīta ogļskābā gāze un vielmaiņas atkritumprodukti.
Zīdītāji rūpējas par mazuļiem - baro ar pienu, sasilda, aizsargā un iemāca turpmākajai dzīvei nepieciešamās iemaņas.