Половым путём хламидомонада размножается при наступлении неблагоприятных условий (похолодание, пересыхание водоёма). В этом случае внутри хламидомонады возникают половые клетки — гаметы. Гаметы разных хламидомонад выходят в воду и соединяются попарно, образуя зиготу, которая покрывается толстой оболочкой. С наступлением благоприятных условий зигота делится, образуя четыре клетки — молодые хламидомонады. При неблагоприятных условиях в некоторых клетках водоросли образуются многочисленные мелкие подвижные гаметы со жгутиками. В воде они попарно сливаются, образуя зиготу. Обычно сливаются гаметы, возникшие в клетках нитей разных водорослей. Зигота покрывается толстой оболочкой и может долго находиться в состоянии покоя. При наступлении благоприятных условий зигота делится на 4 клетки — безжгутиковые споры. Каждая из них, опустившись на подводный предмет, может дать начало новой нитчатой водоросли улотриксу.
