Rozmnażanie U drzewołazowatych występuje zapłodnienie zewnętrzne: samica składa klaster jaj, a następnie samiec zapładnia je, podobnie jak w przypadku większości ryb. Jednakże drzewołazy często obserwowano stykające się ze sobą w sposób właściwy dla kopulacji innych płazów bezogonowych. Zachowanie to wiąże się jednak ze współzawodnictwem o terytorium, częstym u osobników obojga płci. Samce walczą o najbardziej rzucające się w oczy grzędy, by wydawać z nich odgłosy godowe. Samice z kolei konkurują o pożądane gniazda, a nawet atakują gniazda rywalek, pożerając ich jaja. Wiele gatunków drzewołazowatych to oddani rodzice. Drzewołaz karłowaty zanosi swe nowo wyklute kijanki w korony drzew. Larwy przylegają do śluzu na plecach rodziców. Pozostawiają oni swe młode w zbiornikach wodnych tworzonych przez epifity, jak bromeliowate. Kijanki żywią się bezkręgowcami. Matka uzupełnia ich dietę, składając do wody jaja. Inne drzewołazowate składają jaja na poziomie dna lasu, ukryte wśród ściółki.
Klasyfikacja Drzewołazowate podlegają badaniom filogenetycznym na dużą skalę. Ich systematyka często ulega zmianom. Rewizje taksonomiczne rodziny Dendrobatidae miały miejsce w 2006 i 2017 roku.