Okres lęgowy Czarnogłówki pierwszy raz przystępują do lęgów mając rok. mały|Jaja z kolekcji muzealnej thumb|Jaja P. m. borealis z kolekcji muzealnej Gniazdo W wykutej przez siebie lub opuszczonej przez bogatkę dziupli w przynajmniej częściowo spróchniałym lub martwym drzewie (niekiedy mogą jedynie poszerzyć istniejącą już lukę w korowinie drewna). Wykuwają ją oboje rodzice, co wyjątkowe u sikor. Samiec jest jednak potrzebny, bo wykucie dziupli i wysłanie jej (gęsto włóknami roślinnymi, piórami, włosiem, puchem i trawami) sprawia tym niewielkim ptakom wiele trudności. Podobne zachowanie wykazuje sikora uboga, ale rzadziej. Inne sikory zajmują tylko gotowe dziuple. Czasem korzysta także ze skrzynek lęgowych, wykrotów i zakamarków kory. Czarnogłówka tylko wyjątkowo zajmuje utworzone przez inne ptaki dziuple. Pary są monogamiczne. Jaja W ciągu roku wyprowadza jeden lęg, składając w kwietniu–maju 4 do 11, wyjątkowo 13 zmiennie czerwonobrązowych, plamistych, białawych jaj. Wysiadywanie i opieka nad pisklętami Jaja wysiadywane są przez okres 13–15 dni przez samicę. W tym czasie samiec przynosi jej pokarm. Potem rodzice karmią młode razem. Pisklęta, gniazdowniki, opuszczają gniazdo po 17–20 dniach, wtedy też stają się lotne.