大山雀繁殖期4-8月，在南方亦有早在3月份即开始繁殖的，但多数在4-5月开始营巢。1年繁殖1窝或2窝，据我们在长白山的观察，第一窝最早在4月中旬开始营巢，大量在5月初；第二窝6月中下旬开始营巢。通常营巢于天然树洞中，也利用啄木鸟废弃的巢洞和人工巢箱，有时也在土崖和石隙中营巢。据鸟类专家找到的8个巢，有7个是在活树树洞中，约占总数的87.5%，在土崖石隙中仅有1巢，约占12.5%。巢呈杯状，外壁主要由苔藓构成，常混杂有地衣和细草茎，内壁为细纤维和兽类绒毛，巢内垫有兔毛、鼠毛、猪毛、牛毛和鸟类羽毛。巢距地高0.7-6m，巢的大小为外径8-14cm，内径5.5-7.5cm，高5-11cm，深3-5cm。
雌雄鸟共同营巢，雌鸟为主，每个巢5-7天即可筑好。第一窝最早在5月初即有开始产卵的，多数在5月中下旬；第二窝多在6月末7月初开始产卵，有时边筑巢边产卵。每窝产卵6-13枚，多为6-9枚，有时多达15枚。卵呈卵圆形或椭圆形，乳白色或淡红自色，密布以红褐色斑点，尤以钝端较多。卵的大小为16-18mm×12-14.3mm，平均17.7mm×13.9mm，卵重0.8-2.0g，平均1.4g，每天产卵1枚，卵多在清晨产出，卵产齐后即开始孵卵，也有在产出最后一枚卵后隔1天才开始孵卵的。孵卵由雌鸟承担，白天坐巢时间7-8小时，夜间在巢内过夜。白天离巢时还用毛将卵盖住，有时也见雄鸟衔虫进巢饲喂正在孵卵的雌鸟，孵化期14±1天。
雏鸟晚成性，雌雄亲鸟共同育雏。经过15-17天的喂养，幼鸟即可离巢，出巢后常结群在巢附近活动几天，亲鸟仍给以喂食，随后幼鸟自行啄食。
