L’espèce est dite monoïque, ce qui signifie que les fleurs mâles et femelles sont portées sur le même individu, mais en structures séparées.
Les fleurs mâles, petites et jaunâtres, se situent à l’extrémité des rameaux. Discrètes, les fleurs femelles sont de couleur vert pâle et évolueront en cônes. Ceux-ci, de forme ovoïde, mesurent environ 1 cm de long et ont une teinte brun clair à maturité.
La floraison a lieu au printemps, entre avril et mai, selon les régions. Les cônes mûrissent à la fin de l’été ou à l’automne, libérant de petites graines ailées qui, comme le pollen de ses fleurs, sont dispersées par le vent.
Le thuya occidental se reproduit par semis, mais est également capable de marcottage naturel. Lorsqu’une branche basse ou un rameau touche le sol humide, il s’y développe alors des racines adventives, Ce type de reproduction survient particulièrement dans les milieux humides ou ombragés.