Dès février, les couples se forment et cherchent un site pour nidifier. La mésange nonnette creuse rarement son nid elle-même, tout au plus retaille-t-elle l'entrée d'un nid usurpé à une autre espèce. Ce nid se trouve dans les trous des arbres, généralement à hauteur d'homme voire plus bas. Le nid est composé d'une première couche de mousse puis garni de plumes, poils (crin de cheval) et/ou de duvet. La nidification a lieu d'avril à juillet, une seule fois par an.
La femelle pond 6 à 12 œufs blancs, légèrement tachetés de brun, qu'elle couve seule 13-14 jours. 16 à 18 jours après l'éclosion les petits s'envolent. Les parents continuent de les nourrir d'insectes ou de larves encore quelque temps.
Les conjoints restent fidèles l'un à l'autre et aussi à leur territoire, qu'ils continuent d'occuper pendant l'hiver.