Certainement pour ne pas perturber l'écoulement de l'eau le long du corps et ne pas freiner la vitesse de déplacement des cétacés, les organes génitaux ne sont pas externes, ni proéminents. Ils sont rétractés à l'intérieur de la base du ventre et ne sont révélés que par des fentes dites génitales.

Cette particularité rend parfois difficile la distinction entre le mâle et la femelle. Les deux sexes possèdent une fente génitale située entre le nombril et l'anus. Mais la femelle est dotée, en plus, de deux fentes mammaires situées de part et d'autre de la fente génitale, où sont logés les mamelons de la glande mammaire.

Dessin de Henry Augier

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La reproduction dépend de facteurs individuels, comme l'âge, le degré de socialisation… et environnementaux, comme le climat, la région géographique, la disponibilité de nourriture…

Les accouplements sont généralement brefs et peuvent être précédés de rites complexes de séduction ou de rivalités entre mâles. Ces derniers portent d'ailleurs des cicatrices causées par les combats, lesquels, il faut le préciser, ne sont jamais sanglants. Chez certaines espèces, notamment les mégaptères, le choix de la femelle dépend davantage des talents de chanteur du mâle que de sa prestance.

La copulation peut avoir lieu de différentes façons, selon les espèces. Les deux animaux s'unissent en position verticale, ventre contre ventre, ou bien côte à côte, légèrement inclinés, flanc contre flanc.

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La gestation, qui varie en fonction des dimensions du cétacé, peut durer 16 mois pour l'orque ou 8 à 11 mois pour le marsouin commun. De même, l'intervalle entre deux parturitions peut s'échelonner entre un an et six ans et dépend essentiellement des conditions de vie de l'animal.

Au moment de la mise bas, le petit est en position caudale. La naissance est en général très rapide et le petit cétacé doit tout de suite monter à la surface de l'eau, aidé par sa mère, pour respirer. Il est immédiatement en mesure de suivre cette dernière, restant dans son sillage et se maintenant facilement en position latéro-dorsale.

Il la tétera pendant un an, même après avoir appris à se nourrir tout seul. Le sevrage dépend de l'âge de la mère, plus celle-ci est proche de la fin de son cycle de reproductrice, plus il se fera tard. En général, le lait des cétacés est plus gras et plus concentré que celui de l'homme.