猫头鹰的繁殖方式较为独特，通常遵循一雄一雌的配对模式，不过个别种类如鬼鸮存在一雄多雌或一雌多雄的现象。繁殖季节大多集中在春季，从3月至5 - 6月，部分种类在1月就已开始。在繁殖过程中，多数猫头鹰不营巢，而是巧妙利用自然环境，选择树洞、岩穴或其他鸟类遗弃的巢穴作为产卵育雏的场所。

猫头鹰的产卵数量不固定，体形较大者产卵较少，体形较小的种类产卵相对较多。其孵蛋方式与众不同，生下第一个蛋后便立即开始孵化，之后一边孵化一边继续产蛋。这种孵化方式导致幼鸟出壳时间有先有后，形成年龄差。孵化期约一个月左右，雏鸟孵化后体被绒羽，耳目紧闭。在同一个巢内，由于产卵时间和孵化时间的差异，雏鸟体形大小常有巨大差异。在食物匮乏的年份，个别种类如雪鸮可能会出现较大雏鸟残食幼小雏鸟的现象，但这并不普遍。在繁殖期间，猫头鹰捕鼠数量惊人，还会在幼鸟未出壳时储存食物在窝边，以备不时之需。