נקבת דיונון מדביקה ביצים על אלמוג

ההפרייה בדיונונים היא הפרייה פנימית. מה שמיוחד אצל דיונונים זה שפעולת ההפרייה מחולקת לשני שלבים עיקריים. בשלב הראשון, הזכר מעביר את הזרע אל הנקבה בעזרת אחת מזרועותיו ומכניס אותו לכיס אחסון זמני הנמצא בקרבת פה הנקבה, שם הזרע נשמר. רק לאחר מכן, "בזמנה הפנוי", הנקבה מפרה את הביציות שלה באמצעות הזרע שהועבר קודם לכן מהזכר.

במהלך עונת הרבייה, הזכרים נלחמים ומגנים על טריטוריה באזור השונית והנקבות מגיעות לטריטוריה על מנת להזדווג.

קיימים מיני דיונונים שידוע שהנקבות מזדווגות עם מספר זכרים ורק לאחר מכן בוחרות באיזה זרע להפרות את הביציות שלהן. לאחר סיום תהליך ההפרייה, הנקבה מדביקה את הביציות המופרות למצע השונית בצורת תטולה ובה לפעמים מאות דיונונים קטנטנים שניתן לראותם מבעד למעטפת שקופה. דיונונים אלה בוקעים לאחר תקופת התפתחות בתוך הטתולה ונפוצים בים. כמובן שלא כולם שורדים.