Citronfjärilar flyger från mars och långt in i september. Citronfjärilen utvecklas till fjäril under hösten och övervintrar sedan som imago, det vill säga som fullbildad fjäril, och kan därför observeras redan tidigt på våren. Den parar sig på våren. Citronfjärilen lever ovanligt länge för att vara en fjäril, och det förekommer att övervintrade individer fortfarande är i livet då nästa generation kläcks i början på juli.

Äggen är små gula spetsiga spolar och återfinns ensamma vid värdväxtens knoppar. Äggen mognar på en vecka. En hona kan lägga mer än 500 ägg under sin livstid. Larven är grön med en vit rand på sidan och har åtta par fötter. Larven lever på den kvist av brakved eller getapel där modern lade ägget. Citronfjärilens larvstadium varar omkring en månad. Puppan är gulgrön och har en ljusare strimma längs sidan. Den buktar starkt utåt på undersidan och har en spetsig topp. Puppan bildas på den växt där larven har levt och efter runt två veckor är imagon färdigbildad.