При половом размножении содержимое клетки хламидомонады делится и образуется большое число гамет. Потом оболочка материнской клетки прорывается, и гаметы, имеющие по два жгутика, выходят в воду, плавают, соединяются попарно своими носиками, где расположены жгутики, и, наконец, полностью сливаются друг с другом. У большинства хламидомонад трудно отличить, какие гаметы мужские, какие женские. Они одинаковы по форме и одинаково подвижны. Однако есть некоторые виды хламидомонад, которые образуют неподвижные крупные женские гаметы (яйцеклетки), а другие особи — мелкие подвижные мужские гаметы (сперматозоиды). После слияния гамет жгутики исчезают, образуется зигота, которая сразу же покрывается оболочкой.
Через некоторое время зигота прорастает. Первое деление ее ядра редукционное — особое деление ядра, при котором число хромосом в клетке уменьшается вдвое. В результате второго деления каждого из ядер образуются 4 клетки с одним набором хромосом в их ядрах. Оболочка зиготы лопается, и новые клетки выходят в воду, плавают при двух жгутиков. Достигнув размеров материнской клетки, они могут снова размножаться бесполым и половым путем.
