La hembra es mayor que el macho, en longitud y en peso. Los machos, además de ser más pequeños que sus compañeras, también son más delgados.

En las especies aladas, en cambio, los machos son los que tienen las alas más desarrolladas. Los machos de estas especies pueden volar, mientras que las hembras muy raramente. Los insectos palo alcanzan la madurez sexual tras 15 días después de su última muda. El macho muda muy pocas veces comparado con la hembra. Frente a las 5 mudas de la hembra necesarias para alcanzar la madurez sexual, el macho llega a la madurez sexual pasando sólo por 2 estadios ninfales. Una hembra de insecto palo puede guardar en sus conductos genitales el esperma del macho durante varios meses, lo que le permite poder fertilizar sus óvulos tras varios meses después de aparearse.

Si no hay ningún macho presente las hembras pueden reproducirse por partenogénesis, excepto en algunas especies, como Heteropteryx dilatata.

La partenogénesis (el óvulo no necesita ser fecundado por un espermatozoide para desarrollarse) tiene el inconveniente de ser menos efectiva que la reproducción sexual, ya que el porcentaje de nacimientos de los huevos desarrollados es menor que si fuesen obtenidos por reproducción de tipo sexual, además de que tardan más en nacer que cuando se produce el apareamiento. Sin embargo, esto no ocurre, por ejemplo, en los insectos palo Carausius, cuyo período de incubación de los huevos suele durar prácticamente lo mismo que en una reproducción sin partenogénesis y las crías tienen las mismas posibilidades de nacer.

Deberemos tener cuidado en no superar el rango de temperatura adecuado para los insectos palo, de lo contrario podemos obtener individuos con ginandromorfismo que no se podrán reproducir nunca por reproducción sexual, dado que son animales con una alteración genética. En realidad, el ginandromorfismo es un tipo de hermafroditismo. Si tenemos curiosidad por obtener este tipo de animales con características sexuales de macho y a la vez de hembra, la temperatura de incubación debe ser superior a los 27ºC pero sin excedernos de los 30ºC, para evitar la muerte de los huevos que intentemos incubar. En los ejemplares obtenidos por partenogénesis es frecuente que se desarrollen individuos con ginandromorfismo (o hermafroditas) cuando los huevos se incuban a altas temperaturas, es decir, superiores a las del rango de temperatura óptima. Los insectos palo con este tipo de hermafroditismo no se pueden reproducir por reproducción sexual (por apareamiento). Este extraño fenómeno llamado ginandromorfismo se debe a una anomalía genética que concede a las hembras características de macho o viceversa, porque, en realidad, un individuo con ginandromorfismo tiene características sexuales tanto de macho como de hembra. Especialmente en las especies que efectúan la puesta en tierra húmeda, como las de los géneros Euricantha, Heteroptyx o Areataon, es necesario proporcionarles un buen lugar para la puesta. Un recipiente con una capa de turba o abono viejo servirá.

La hembras de insecto palo ponen entre 100 y 500 huevos, tras pasar por un período de tiempo que coincide normalmente con unas 3 semanas después de su última muda.

Los sistemas de puesta en estos animales son muy variados. Desde aquellas especies que simplemente se limitan a dejar caer sus huevos, como el conocidísimo Carasius morosus, hasta otros mucho más sofisticados que incluyen el fijar los huevos sobre otro insecto palo o el de atraer la atención de las hormigas con estructuras específicas en el huevo con el objetivo, en ambos casos, de incrementar la distribución de los huevos y, por lo tanto, de la especie.
Los insectos palo también adhieren los huevos a la cara inferior de las hojas de las plantas para disminuir la presión de los depredadores consiguiendo hacerlos pasar como parte misma del propio vegetal.

Los huevos de insecto palo son muy variados en cuanto a la forma según la especie en cuestión. Pueden ser totalmente esféricos, como los de Lopaphus caesius o los de Epidares nolimetangere; más ovalados, como aquellos puestos por Haaniella dehanii o por Phasma gigas; muy alargados, como los huevos de Aretaon asperrimus o Trachyaretaon bruckneri; o también con formas muy artificiosas, como los insectos palo del género Phyllium. En cualquier caso, la forma de los huevos obedece siempre, o casi siempre, a criterios de conservación. Imitando a los elementos del medio, los insectos palo consiguen que sus depredadores no devoren los huevos y así aseguran la supervivencia de sus crías. Normalmente, los huevos imitan a las formas curiosas que tienen las semillas de las plantas, a veces, también se pueden confundir con los excrementos de los propios animales.

La incubación dura unos 5 meses, tiempo tras el cual nacen las crías a través del opérculo.

Existen muchos insectos palo que son muy sensibles sus puestas a la aparición del moho. Por lo que en estas especies la capa de turba debe estar más seca que las que ponen sus huevos en tierra húmeda, pero igualmente necesitan algo de humedad de vez en cuando y en moderación.

El tiempo que tardan los insectos palo en ser adultos es muy variable y puede ser desde pocos meses hasta un año.
Entre los factores que condicionan el desarrollo de estos insectos se encuentran el propio animal (sobre todo la especie a la que pertenece) y, especialmente, la temperatura.

Los insectos palo tienen una metamorfosis incompleta (o hemimetábola), por lo que las crías (o ninfas) son muy parecidas a los adultos.

Los insectos palo se muestran más activos a temperaturas superiores, (siempre que no estén por encima del rango de temperatura óptimo (21-27ºC), ingieren más comida y su desarrollo se acelera, llegando más pronto a adultos. Si los insectos palo no deciden hacer la puesta en el recipiente que colocamos para este fin, podemos trasladarlos nosotros mismos con mucho cuidado. Una vez puestos en el recipiente de turba los cubriremos con una fina capa de abono viejo. Dos veces por semana, más no, para evitar la formación de moho, deberemos pulverizar la tierra donde están los huevos. En cambio, para las especies mediterráneas, como Clonopsis gallica, es importante proporcionarles unas condiciones de sequedad importantes, por lo que no será conveniente las pulverizaciones continuadas necesarias para las especies tropicales o, de lo contrario, los resultados serán contraproducentes. No obstante, tendremos que mantener bien húmedo el recipiente con huevos momentos antes de que se produzca la eclosión de los huevos. Para sincronizar los nacimientos de las crías con el buen tiempo será necesario que pasen los huevos por un periodo de frío que imite la estación hibernal. De este modo, a partir de finales de octubre o diciembre, mantendremos los huevos en una temperatura inferior a los 10ºC, pero siempre por encima de los 0ºC (las heladas tienen efectos negativos en la supervivencia de los huevos) para que se detenga el desarrollo embrionario (por diapausa). Para este fin, podemos colocar los huevos (previamente depositados en un recipiente bien aireado) a la nevera. A partir de marzo (preferentemente a partir de la segunda mitad de marzo), ya podemos retirar los huevos del refrigerador. Al cabo de unas 2 semanas (entre marzo y abril, según cuando haya acabado el período de frío) se producirá el nacimiento de las crías. Aunque podremos adelantar el momento del nacimientos si la temperatura de incubación de los huevos tras sacarlos del frigorífico la subimos por encima de los 25ºC con la ayuda de un sistema de calefacción.