Les pandas atteignent une maturité sexuelle entre 5 ans et demi et 6 ans. Il ne peuvent se reproduire que quelques jours par an ce qui rend leur reproduction difficile. La durée de la gestation est d'environ 112 à 163 jours (137,5 jours en moyenne). La mère peut donner naissance à un ou deux petits, rarement trois, avec une moyenne de 1,7 petit par portée. Cependant, celle-ci ne s'occupe que d'un seul petit et les autres meurent rapidement, peut-être parce que l'énergie nécessaire pour élever les deux est trop élevée mais le débat n'est pas clos sur cette question. En captivité, pour éviter cette perte, des chercheurs américains font actuellement des études sur le fait d'alterner les petits, ainsi, la mère s'occupe des deux petits sans s'en rendre compte. À sa naissance, le petit pèse à peine entre 85 et 140 grammes (110 grammes en moyenne) et est élevé uniquement par sa mère. Après environ 46 semaines, le petit est totalement sevré et il peut se débrouiller seul à environ 18 mois.
Ayant une fécondité naturellement faible, ils ont aussi beaucoup de difficultés à se reproduire en captivité. Le mâle, avec sa nourriture à portée de main, prend l'habitude de ne pas faire d'efforts, même pour se reproduire… Des problèmes psychologiques renforcent ce phénomène. Au Centre de recherche sur la reproduction des pandas géants à Chengdu (Chine), seulement 10 % d'entre eux s'accouplent. Et seulement 30 % des femelles accouplées font des petits. Afin de sauvegarder cette espèce menacée, les zoos et les centres d'élevage ont souvent recours à l'insémination artificielle. Les premiers succès de cette technique ont été obtenus au zoo de Pékin dès 1978.