La fécondation est la fusion des gamètes mâles (grain de pollen) et femelles (ovules)
La fécondation se fait chez la plupart des orchidées de manière croisée. Seules quelques espèces pratiquent l'autogamie, c'est-à-dire une fécondation autonome dans la fleur même. Cette fécondation peut parfois s'effectuer dans le bouton floral lui-même (cléistogamie), c’est les cas de l’Epipactis leptochila par exemple. Certaines espèces, comme l'Ophrys apifera, utilisent l'autogamie lorsque la fleur n'a pas été visitée par un insecte.
Dans le cas de la fécondation croisée, les Orchidées utilisent des insectes. Attirés par la plante, ils arrivent jusqu'au gynostème, les pollinies sont alors collées sur le corps de l'insecte par le biais des rétinacles. Le sommet du rostellum est très souvent muni d'une substance gluante contenue dans 1 ou 2 rétinacles, permettant de coller les pollinies sur le corps de l'insecte pollinisateur.
Chez les espèces aux pollinies munies de caudicule, celui-ci en se desséchant se courbe vers l'avant après un moment, empêchant l'autofécondation et favorisant la fécondation croisée.
Lorsque la pollinisation est réussie, une majorité des grains de pollen est utilisée, les ovules commencent à se différencier et l'ovaire se transforme en fruit : une capsule.
Après une maturation qui peut être très longue, la capsule libère une quantité impressionnante de graines microscopiques (plus de trois millions pour certaines espèces).