大袋鼠的繁殖一直是個謎，直到20世紀60年代，生物學家才將這個謎徹底揭開。大袋鼠在1—2月交配。交配期結束後，雌獸即離群隱居在草叢中，過著孤獨的生活，直至分娩。母獸受精以後有奇特的“遲緩”現象。大袋鼠的受精卵分裂到100個細胞左右時，如果遇上了氣候特別幹燥的不利條件，發育會停止，暫時封存在子宮裏。等到氣候條件適宜時，封存的胚胎重新開始發育，並於約5個星期後分娩。大多數哺乳動物都在母體子宮內發育，由胎盤提供養料。袋鼠沒有胎盤，所以幼崽的胚胎在子宮的生長時間較短，到子母獸的育兒袋中再吮吸乳汁繼續發育。
母獸臨產前，一般是產崽前2個小時，會認真清理育兒袋中的雜物。然後背靠一棵樹坐下，把尾巴從兩條後腿中間向前伸出，靜候孩子出生。大袋鼠大多數一胎一崽，少數是雙胞胎，偶爾也會一胎四崽。新生幼崽十分小，隻有約2.5厘米長，體重相當於母體重量的1／30000。此時幼崽身上無毛，渾身通紅，眼睛和耳朵都閉著，十分難看。
那麼，幼崽是如何進入育兒袋的呢？這個問題一直困擾著人們。真相是幼崽自己爬進育兒袋的。剛剛出生的小袋鼠看上去像一粒小紅豆，盡管後肢十分微弱，前肢卻已生出爪來。借助神經和肌肉的配合，它從母獸的泄殖孔出發，順著母體的尾巴爬到有袋骨支持的育兒袋裏。一進育兒袋，它就四處尋找乳頭，抓住四個中的一個便銜著，把身子掛在上麵，繼續發育成長。所以，有人說大袋鼠的幼崽是從乳頭上長出來的。
小袋鼠在育兒袋裏長到約160天時，才向外探出頭來，200天以後，它便開始離開育兒袋，到外麵活動。小袋鼠在母獸的保護下活動，經常從育兒袋裏鑽出鑽進。離開育兒袋後，小袋鼠經過3～4年時間，方才長大成年。