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Au bout de 10 à 17 jours les œufs éclosent. Les chenilles naissent presque toutes en même temps et se regroupent. Les chenilles sont grégaires généralement jusqu'au deuxième stade. Au départ elles sont noirâtres mais deviennent progressivement vert jaune, plus ou moins tachetées de noir.
Le corps de la chenille, qui peut atteindre jusqu'à 6 centimètres de long, est couvert de verrues jaunes et dotées de soies noires. Vers septembre elle est arrivée à son terme et commence sa nymphose. Elle tisse un cocon plus ou moins en forme de poire, accroché aux feuilles et aux branches. A l'intérieur de ce cocon elle se transforme en chrysalide. Le petit paon de nuit reste sous forme de chrysalide jusqu'aux premiers beaux jours de printemps qui verront l'émergence de l'imago pour un nouveau cycle. Il arrive que la chrysalide passe deux hivers enfermée dans son cocon.