大袋鼠的繁殖一直是个谜，直到20世纪60年代，生物学家才将这个谜彻底揭开。大袋鼠在1—2月交配。交配期结束后，雌兽即离群隐居在草丛中，过着孤独的生活，直至分娩。母兽受精以后有奇特的“迟缓”现象。大袋鼠的受精卵分裂到100个细胞左右时，如果遇上了气候特别干燥的不利条件，发育会停止，暂时封存在子宫里。等到气候条件适宜时，封存的胚胎重新开始发育，并于约5个星期后分娩。大多数哺乳动物都在母体子宫内发育，由胎盘提供养料。袋鼠没有胎盘，所以幼崽的胚胎在子宫的生长时间较短，到子母兽的育儿袋中再吮吸乳汁继续发育。
母兽临产前，一般是产崽前2个小时，会认真清理育儿袋中的杂物。然后背靠一棵树坐下，把尾巴从两条后腿中间向前伸出，静候孩子出生。大袋鼠大多数一胎一崽，少数是双胞胎，偶尔也会一胎四崽。新生幼崽十分小，只有约2.5厘米长，体重相当于母体重量的1／30000。此时幼崽身上无毛，浑身通红，眼睛和耳朵都闭着，十分难看。
那么，幼崽是如何进入育儿袋的呢？这个问题一直困扰着人们。真相是幼崽自己爬进育儿袋的。刚刚出生的小袋鼠看上去像一粒小红豆，尽管后肢十分微弱，前肢却已生出爪来。借助神经和肌肉的配合，它从母兽的泄殖孔出发，顺着母体的尾巴爬到有袋骨支持的育儿袋里。一进育儿袋，它就四处寻找乳头，抓住四个中的一个便衔着，把身子挂在上面，继续发育成长。所以，有人说大袋鼠的幼崽是从乳头上长出来的。
小袋鼠在育儿袋里长到约160天时，才向外探出头来，200天以后，它便开始离开育儿袋，到外面活动。小袋鼠在母兽的保护下活动，经常从育儿袋里钻出钻进。离开育儿袋后，小袋鼠经过3～4年时间，方才长大成年。
