В холодных водах самка толстолобика достигает половой зрелости между четвертым и восьмым годами жизни, в зависимости от обилия корма в местах обитания. Самец, ровесник самки, в той же среде созревает на год раньше нее.
В холодной воде толстолобик не размножается, оптимальная температура для нереста должна составлять 26-30 С. На родине толстолобик мечет икру в зоне русла реки во время небольшого подъема и значительного помутнения воды. Благодаря этому оплодотворенную икру, свободно плывущую вниз по реке, не поедают другие животные. Свежая икра тонет, однако довольно быстро набухает, увеличивается в диаметре в три раза и таким образом достигает соответствующей плавучести. Личинки вылупляются через 24 часа дрейфа. Белый толстолобик скрещивается с пестрым-в результате появляется гибрид, способный к размножению. Толстолобик также может скрещиваться с карпом.