Les martinets noirs atteignent leur maturité sexuelle à la fin de leur deuxième année au plus tôt. Les oiseaux d’un an passent souvent l’été en compagnie des adultes nicheurs et peuvent déjà occuper un nid. Durant la saison de reproduction, les martinets noirs ont un seul et même partenaire et développent un attachement marqué au nid, sur lequel repose la fidélité au partenaire. En règle générale, un second appariement n’a lieu que si l’un des deux partenaires vient à disparaître pendant la saison. Dans ce cas, l’oiseau restant peut retrouver un partenaire au bout d’un ou deux jours seulement.
La ponte du martinet noir comprend généralement 2 à 3 œufs blancs, de forme elliptique et irrégulière. Il n’y a qu’une seule nichée par an. L’incubation, au cours de laquelle les deux partenaires couvent, dure environ 20 jours. Pendant qu’ils couvent, les martinets noirs ne restent pas au repos une minute : ils font leur toilette, s’ébrouent, tâtent les parois du nid, le rafistolent, réagissent en criant dès qu’un de leurs congénères passe à proximité et se lèvent fréquemment pour aller jeter un coup d’œil à l’extérieur (GLUTZ et BAUER, 1980). Ils restent au nid durant la nuit et les périodes de mauvais temps ; l’un est assis sur les œufs, l’autre est généralement juste à côté, voire sur son partenaire.
Dès que les oisillons ont éclos, petites créatures entièrement nues, les parents commencent à les nourrir. Durant les deux premiers jours, voire la première semaine, ils les maintiennent au chaud sous leurs ailes de manière presque permanente. La nourriture est stockée dans le sac guttural sous la forme d’une boulette de la grosseur d’une noisette. Dans leurs premiers jours de vie, les oisillons reçoivent chacun une portion de la boulette. En grandissant, ils avalent une boulette entière et semblent vouloir engloutir la tête et le bec de l’adulte qui leur dépose la nourriture au fond du gosier.
Les oisillons passent en moyenne 42 jours au nid, nourris par leurs deux parents. Ils réclament à manger en émettant force piaillements et en battant faiblement des ailes. Lorsqu’ils sont plus âgés et que la faim les tenaille, ils poursuivent l’adulte en voletant et essaient de parvenir à la hauteur de son bec tout en battant fortement des ailes. Les oisillons qui tombent en dehors du nid sans parvenir à le regagner sont, malgré leurs piaillements insistants, ignorés par leurs parents et dès lors, condamnés à mourir de faim. En effet, les martinets ne nourrissent qu’à l’intérieur du nid, même lorsque les jeunes ont grandi et commencent à explorer la cavité dans laquelle ils se trouvent. Dès que l’adulte arrive, les jeunes retournent en toute hâte vers le nid pour recevoir leur provende. Le nourrissage peut avoir lieu à l’entrée de la cavité, mais cela reste exceptionnel.
Chez l’oisillon à peine éclos, le réflexe d’agrippement est déjà très développé. Cette faculté constitue un élément capital pour la survie de l’oiseau, qui peut dès lors se maintenir fermement dans le nid. Quelques jours seulement après son éclosion, l’oisillon, encore nu et aveugle, commence à esquisser des gestes de nettoyage et bat des ailes par intermittence. Ses yeux s’ouvriront entre le 6ème et le 13ème jour. Bleus durant les 4-5 premières semaines, ils deviendront ensuite marron foncé.
Les oisillons font toujours leurs fientes par-dessus le bord du nid, et par le trou d’envol lorsqu’ils sont âgés de trois à quatre semaines. Ils sont actifs nuit et jour et n’ont pas de phases de sommeil profond ; en revanche, ils font des petits sommes très régulièrement : le corps détendu, ils ferment les yeux et laissent pendre leur tête sur le bord du nid, pour se réveiller en sursaut quelques instants plus tard et faire leur toilette ou battre des ailes. Contrairement à d’autres espèces, ils ne mettent jamais leur tête dans les plumes. Ils émettent en permanence, même la nuit, un petit gazouillis, qui n’est autre qu’un cri de contact, lequel ne cessera qu’au moment de l’envol.