Les tortues sont souvent observées accompagnées de rémoras qui se nourrissent de leurs parasites. Cette particularité est utilisée par certains chasseurs de tortues de l'Océan indien qui pêchent la tortue verte ou imbriquée. Le rémora attaché agrippe la tortue qui peut donc ensuite être pêchée. Comme pour d'autres tortues, on peut également observer des balanes et des algues filamenteuses sur leurs carapaces.
On les trouve dans toutes les mers du globe avec une nette prédilection pour les zones équatoriales où elles doivent venir pondre, exceptée la Caouanne qui pond dans les zones méditerranéennes. La tortue luth est la tortue qui peut vivre jusqu’en Scandinavie. Les Chelonnidae restent dans les eaux plus chaudes mais on a pu en faire quelques observations jusqu'en Manche. Elles préfèrent une température de l'eau allant de 25 et 30 °C. Elles n'hibernent donc pas mais leur activité baisse durant la saison froide. Les jeunes vivent en général à moins de 5 m de la surface, où les eaux sont plus chaudes.
Toutes les tortues marines semblent migrer, excepté les mâles olivâtre. Elles semblent régulièrement utiliser certains corridors biologiques sous-marins, notamment pour retrouver leurs lieux de ponte, grâce à un extraordinaire sens du temps et de l'orientation. On pensent qu'elles sont notamment sensibles au champ magnétique terrestre et qu'elle l'utilisent certainement pour leurs migrations. On sait par ailleurs qu'elles suivent, dans leur migration les courants marins. De nombreuses études cherchent à comprendre leurs migrations pour mieux les protéger.
Le fait que la plupart des espèces reviennent pondre à l'endroit où elles ont éclos, semble indiquer qu'elles en ont mémorisé les caractéristiques y compris magnétiques.
Les tortues marines possèdent des ennemis naturels tels le grand requin blanc, le Requin tigre et le Requin bouledogue comme en témoignent les cicatrices trouvées sur leurs carapaces, mais surtout l'homme. Cependant elles sont surtout vulnérables à cause de leur système de reproduction. Elle doivent s'approcher des côtes pour pondre, l'homme est là, son principal prédateur. Les œufs sont laissés sans surveillance. L'homme n'est pas le seul à prélever des œufs. On a pu montrer que des petits mammifères, des chiens et même des mangoustes (sur les plages Virginie) pillent les nids. Plus surprenant encore, les œufs sont aussi directement menacés par les insectes et, en Guyane française notamment pour la tortue luth, par la courtilière. Puis les nouveau-nés, très vulnérables, sortent en général la nuit, dès que la température baisse. À la moindre hausse de la température, ils stoppent toute activité.
Lorsqu'ils émergent du sable, ils se dirigent vers des signaux lumineux, habituellement les vagues qui clignotent à la lueur de la lune ou des étoiles. Leur survie est donc fortement gênée par l'urbanisation et les lumières qui en résultent. Ces lumières changent les trajectoires des bébés tortues qui ne se dirigent plus forcément vers la mer.
Ils doivent gagner la mer le plus vite possible, pour cela, il faut échapper aux mammifères comme les chiens ou, par exemple pour les tortues luth de Guyane, aux coatis), oiseaux, lézards, et aux crabes qui sont des omnivores très voraces. Enfin ils doivent atteindre des zones marines plus isolées ou protégées en échappant à une grosse prédation venue des gros poissons, céphalopodes (poulpes, calamars) ou oiseaux marins venus les attendre. On pense que les nouveau-nés s'orientent aussi en mer (de nuit) grâce au champ magnétique terrestre. Une fois au large et dans les courants, ils s’abritent dans les masses flottantes environnantes.
Outres les prédateurs, les glissements de terrain et le tassement du sable peuvent endommager ou détruire le nid.