Все начинается ночью в Нью-Йорке. Некое правительственное здание. Мы видим Полковника Шрадера (Colonel Schrader) и его организацию под названием "Фут". Шрадер говорит о неком "проекте "Овен".

Мичиган. Здесь живет юный Кейси Джонс, играющий в хоккей и подрабатывающий ночным сторожом. У него отношения со студенткой факультета журналиститки Эйприл О'Нил, которая пытается убедить его переехать вместе с ней в Нью-Йорк.

Ночью он идет на работу на мебельную фабрику, где натыкается на трех гигантских человеко-подобных черепах, которых поймали агенты Фут. Он освобождает их и они представляются, как Леонардо, Донателло и Рафаэль. Кейси понимает, что завод - на самом деле прикрытие некой правительственной организации. Вчетвером они освобождают Микеланджело, который все еще в руках Фут.

Далее следует автомобильная погоня, в ходе которой черепашки дерутся с преследующими их Футами.

Черепашки прячутся в старом сарае Кейси, где объясняют ему, что мутировали вместе с учителем Сплинтером благодаря мутагену. И теперь должны вернуться обратно в Нью-Йорк. Черепашки делают самодельное оружие из того, что есть в сарае и связываются со Сплинтером благодаря самодельному переговорнику. Тот предупреждает их об опасности. Кейси рассказывает им об Эйприл и ее желании ехать в Нью-Йорк.

Все вместе, они идут в дом Эйприл, где Кейси отвлекает девушку, а Черепашки прячутся в грузовик.

Поездка в Нью-Йорк. Кейси и Эйприл едут в кабине, Черепашки - спрятавшись в кузове. С помошью ай-пада Эйприл, они пытаются узнать о таинственном проекте "Овен", который был запущен в день мутации Черепашек 17 лет назад. Они так же узнают, что "Овен" как-то связан с мутациями и биологическими видами. Черепашки начинают подозревать, что были частью этого проекта.

Тем временем, "Фут" перехватывает разговор Черепашек со Сплинтером. Шрадер посылает двух помощников найти Сплинтера.

Черепашки выдают себя перед Эйприл, но в этот момент путь их грузовика преграждают Футы на мотоциклах (сигнал же был отслежен!)
Черепашки вынуждены скрыться в метро, но Фут их преследует. Бой на крыше поезда. Во время поединка Рафа и Шрадера, Черепашка ранит противника, срезая часть кожи с его руки. Из под нее торчат острые лезвия. Рафу удается скинуть Шрадера, и они благополучно добираются до Нью-Йорка.

Выясняется, что два помощника Шрадера - Бибоп и Рокстеди. Они устраивают Сплинтеру засаду, но в последний момент появляются Черепашки, Кейси и Эйприл и спасают учителя. Эйприл снимает все происходящее на телефон, заявляя, что в случае ее смерти запись передадут на CBS. Во время боя, телефон выбивают у нее из рук и, он попадает в руки Бибопа и Рокстеди. Черепашки с друзьями сбегают, а парочка мутантов докладывает о находке Шрадеру.

Оказавшись в безопасном месте, Раф рассказывает о случившемся на поезде. Сплинтер говорит, что Шрадер - не человек. Он попал на Землю из Измерения Икс. И произошло это потому, что идет процесс слияния Земли с Измерением Икс, из-за чего возникают Порталы. На это указывают многочисленные стихийные бедствия последнего времени. Эйприл заявляет, что в здании, где она работает есть информация об этих катастрофах. Все вместе (за исключением Сплинтера), они отправляются туда, но попадают в ловушку, подстроенную Шрадером. Он блокирует их внутри здания.

Черепашки узнают, что следующий Портал должен открыться прямо в центре Нью-Йорка, что вызовет катастрофу. Когда они пытаются выбраться из здания, лифтовая шахта неожиданно превращается в овраг с водопадом посреди джунглей (слияние!), куда они вынуждены прыгнуть. Пока они плывут по джунглям, они видят постепенно исчезающий канализационный туннель. Выбравшись на сушу, они пытаются добраться до него, но успевают только Эйприл с Кейси.

Неожиданно Лео видит одного из своих братьев поверженным. Он бросается к нему, но понимает, что перед ним не его брат. Это Черепаха-воин. он заявляет Лео, что знает их и что они являются частью пророчества. Их родина - Измерение Икс, которой они лишились из-за Кренга.

Черепашка-воин рассказывает Черепашкам, что когда они родились, старейшины сказали, что они те, кто покончат с Кренгом. Родители Черепашек отдали их своему лучшему другу Сплинтеру, чтобы он уберег их от Кренга. И вся история с мутагеном была всего лишь прикрытием, чтобы уберечь их от Кренга. Сами же родители Черепашек так же были убиты Кренгом.

Воин говорит, что Кренг пока не выиграл войну, но совсем скоро он закончит оружие, которое поможет ему это сделать - Технодром. Но для этого ему нужно много энергии. В Измерении Икс много ресурсов, но нет инфраструктуры, благодаря которой Кренг сможет зарядить Технодром электричеством. Как только Кренгу удастся зарядить Технодром, он выиграет эту войну. Для перемещения Технодрома и слияния Земли с Измерением Икс ему нужны 4 сферы и три из них у него уже есть. Последнюю четвертую защищал сам воин, но и она попала в руки Кренга. Дав Черепашкам оружие их родителей, воин отсылает их обратно на Землю. Черепашки возвращаются домой и снова встречаются с Кейси, Эйприл и Сплинтером.

Нью-Йорк и Измерение Икс начинают сливаться и Технодром появляется в городе. Черепашки, Кейси и Эйприл отправляются к Технодрому, чтобы разъединить 4 сферы и остановить вторжение. Тем временем военные направляют к Технодрому истребители.

Черепашки добираются до Технодрома. Идет перекачка энергии. В это время на Землю прибывают другие воины-черепахи. Черепашки пробираются в Технодром, оставив Кейси и Эйприл снаружи. Им надо отключить передачу энергии.

Пока Черепашки добираются до командного центра, у Технодрома появляются Шрадер и двое мутантов. Они вступают в схватку с Кейси в окружении многочисленных проводов под сильнейшим напряжением.

В это время Черепашки сталкиваются с самим Кренгом (серая студенистая масса в гигантском роботе с 4 руками). Кренг насмехается над Черепашками, заявляя, что видит в их глазах тот же страх, что был в глазах их родителей, когда он их убивал.

Кейси удается заманить троицу врагов в лужу и поразить сильнейшим разрядом тока. Тем временем истребители начинают обстрел Технодрома, а Черепашки уничтожают тело-робот Кренга. Схватив сферы, они выпрыгивают наружу. Измерение Икс и Земля вновь разъединяются. Военные арестовывают Шрадера, Бибопа и Рокстеди.

Сплинтер говорит, что сферы необходимо вернуть туда, где они были - В Измерение Икс. Для этого Черепашкам надо отправится в 4 самые удаленные уголки Земли, где они встретят четырех воинов-черепашек, которые будут их наставниками.

Заканчивается фильм речью Эйприл, которая говорит, что люди не так одиноки, как они думают. В это время Черепашки возвращают сферы на место.