Las diatomeas se reproducen por división binaria, es decir su célula se parte en dos y cada nueva célula se lleva una de las valvas y de inmediato forma la que le falta; ésta queda en el interior de la existente, por lo que siempre resulta una diatomea más pequeña. Como término medio, se dividen una vez cada 18 a 36 horas, presentando un aumento diario muy grande. Después de que las diatomeas han disminuido de tamaño debido a sucesivas divisiones por bipartición, se reproducen por un proceso sexual llamado conjugación en el que se fusionan dos gametos procedentes de distintas diatomeas, de cuya unión resulta un cigoto o huevo, el cual crece, recupera el tamaño primitivo de la especie y secreta sus dos valvas correspondientes.

Es tal la cantidad de diatomeas que habitan en el mar, que las valvas de las generaciones que mueren o las desechadas durante su reproducción se depositan y cubren amplias extensiones de los fondos formando los llamados barros de diatomeas, que dominan, por ejemplo, las profundidades del Mar Antártico y del Océano Pacífico.

Al cabo de millones de años, los sedimentos marinos de diatomeas han formado en algunos sitios rocas sedimentarias, constituyendo parte de los continentes. Así, se han estructurado las rocas llamadas "tierra de Trípoli" o "cienos de diatomeas", cuyos yacimientos se explotan en diversas regiones del planeta.