Els virus es reprodueixen gràcies a un mecanisme peculiar, anomenat replicació, gràcies al qual el seu àcid nucleic es reprodueix ell mateix, i alhora, dirigint el metabolisme de la cèl·lula que infecta, orienta l’elaboració de les seves proteïnes i la càpsida.
Esquemàticament, la replicació vírica es produeix en quatre fases: infecció, síntesi, maduració i alliberament.
Durant la fase d’infecció, el virió s’enganxa o s’absorbeix a la membrana cel·lular, abandona l’embolcall extern, penetra en l’interior de la cèl·lula, perd la càpsida i permet que el nucli víric quedi en contacte directe amb el medi intracel·lular.
L’absorció del virus per la membrana d’una cèl·lula viva es produeix fonamentalment per l’atracció o per l’afinitat que presenten les proteïnes superficials del virus amb determinades proteïnes de la superfície de les membranes cel·lulars. Cada espècie de virus presenta una afinitat específica amb determinades cèl·lules vives.
La penetració del virus pot tenir lloc de diverses maneres. En els virus que tenen embolcall extern se sol produir després d’un procés de fusió entre aquests i un sector de la membrana cel·lular; en fusionar-se aquestes dues estructures s’origina una petita obertura per la qual la nucleocàpsida s’introdueix en la cèl·lula. En els virus que no tenen embolcall, la penetració se sol donar quan, després de l’absorció, un sector de la membrana cel·lular s’invagina cap a l’interior de la cèl·lula tot formant una espècie de globus que conté el virus; moments després, la paret d’aquesta mena de globus s’esquinça i, per tant, el virus es troba ja a l’interior de la cèl·lula. Moltes espècies de virus penetren en la cèl·lula simplement establint un petit orifici en la membrana cel·lular.
Després de la penetració, o en alguns casos, durant la mateixa penetració, el virus es desprèn de la càpsida, de manera que el seu nucli queda en contacte directe amb el medi intracel·lular.
Durant la fase de síntesi, l’àcid nucleic del virus utilitza les estructures i l’energia de la cèl·lula per a reproduir-se o replicar-se a si mateix, i perquè se sintetitzin les seves pròpies proteïnes i recobriments. Així, en una primera etapa, l’àcid nucleic víric, gràcies a l’acció d’enzims presents en el nucli cel·lular, sintetitza amb elements de la mateixa cèl·lula infectada rèpliques de si mateix, és a dir, noves molècules del mateix àcid nucleic víric. En una segona fase, aquests àcids nucleics vírics sintetitzen molècules d’un tipus d’àcid ribonucleic especial, anomenat ARN missatger, que té la funció d’actuar sobre els ribosomes, les estructures cel·lulars encarregades d’elaborar proteïnes. Així, amb l’acció dels ARN missatgers produïts per ordre del virus, els ribosomes de la cèl·lula infectada elaboren les proteïnes nuclears i els recobriments del virus.
La síntesi de les noves partícules víriques, per raons no del tot conegudes, pot aturar-se definitivament o disminuir durant un període dilatat de temps, que pot ésser d’alguns anys o fins i tot decennis, i que s’anomena fase de latència.
D’altra banda, en alguns casos, com en els anomenats retrovirus, l’àcid nucleic víric té, a més, la capacitat de combinar-se o integrar-se en l’ADN cel·lular, i alterar, per tant, el codi genètic global de la cèl·lula infectada.
Durant la fase de maduració, es produeixen els nous virions. En una primera etapa, els nous àcids nucleics vírics s’adossen a les seves proteïnes nuclears formant nuclis vírics nous. Posteriorment, aquests s’envolten de les càpsides i eventualment dels embolcalls externs.
Durant la fase d’alliberament, els nous virions travessen la membrana cel·lular i es projecten al medi extern. Els virus embolcallats solen ésser alliberats progressivament, a mesura que maduren els nous virions a l’interior de la cèl·lula. En aquests casos, la cèl·lula infectada sol sobreviure a la fase d’alliberament. Al contrari, els virus que no tenen embolcall extern se solen acumular en diverses regions de la cèl·lula fins que acaba la fase d’alliberament, alterant notablement el metabolisme cel·lular; aleshores es precipiten al medi extern en forma massiva, i alhora la cèl·lula es destrueix a causa de les lesions que experimenta la membrana cel·lular. En travessar la membrana cel·lular, els nous virions incorporen els hidrats de carboni i els lípids continguts en els recobriments. Després de la fase d’alliberament, els nous virions han adquirit la capacitat d’infectar una nova cèl·lula i replicar-se una altra vegada; recomença d’aquesta manera el cicle vital del virus.