As tartarugas marinhas são solitárias e permanecem no ambiente marinho durante toda a sua vida, com exceção das fêmeas adultas que buscam as praias para desovar. Esta característica do ciclo de vida dificulta os estudos do seu comportamento. Por isso, grande parte do que se conhece sobre elas refere-se a estudos realizados com fêmeas em praias de desova.
Apresentam visão, olfato e audição desenvolvidos, além de uma fantástica capacidade de orientação e natação. Animais migratórios por excelência, vivem dispersas na imensidão dos mares e, mesmo assim, quando atingem a maturidade sexual sabem o momento e o local de se reunir para a reprodução. Nessa época, realizam longas viagens, por vezes transoceânicas, para voltar às praias onde nasceram e desovar.
Descansam na superfície da água quando estão em áreas profundas, ou no fundo do mar, sob rochas, em áreas próximas à costa. Durante o descanso, geralmente mantem as nadadeiras dianteiras encolhidas para trás, sobre o casco.
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Em mar aberto, as tartarugas marinhas encontram fortes correntes e, mesmo assim, conseguem navegar regularmente por longas distâncias. Os mecanismos de navegação e orientação que utilizam ainda representam um grande mistério, estudado por várias gerações de pesquisadores ao redor do mundo.
Sabe-se que são capazes de detectar a intensidade do campo magnético terrestre. A presença de magnetita (mineral muito sensível à direção do campo magnético usado para fazer imãs) no cérebro das tartarugas marinhas sugere uma possibilidade para compreender a capacidade de orientação em mar aberto.
Nessa longa jornada pelos mares, podem cruzar as fronteiras de vários países e por isso precisam ser protegidas através de acordos de cooperação internacionais, para que o esforço de conservação seja efetivo.