Когда черепашки впервые выходят из канализации на поверхность, они становятся свидетелями того, как Эйприл О'Нил и её отца Кирби похищают Крэнги. Донни убеждает братьев, что их долг — спасти О'Нилов.

Черепашки выясняют где держат О'Нилов после похищения. Они устраивают атаку на убежище Крэнгов и им приходиться сразиться с мутантом-растением.

Чтобы доказать что черепашки могут дружить с людьми, Майки использует социальную сеть, чтобы подружиться с Крисом Брэдфордом, популярным мастером боевых искусств, который на самом деле является лучшим учеником Шреддера.

Сплинтер сажает черепашек под домашний арест из-за того, что Майки катался на скейтборде в логове. Когда черепашки скрытно от Сплинтера сбегают из логова, несмотря на его указания, они теряют Ч-Под (который содержит в себе важный чип) и теперь должны победить Бакстера Стокмана, работника ИТКИ, который использует чип, чтобы модернизировать его броню и отомстить компании ИТКИ за его увольнение.

Уставший использовать в качестве своего оружия деревянное бо Донателло создаёт Металлическую Голову, робота, управляемого дистанционным пультом, который должен сражаться вместо него. Когда у Металлической Головы происходит сбой в программе и он начинает подчиняться Крэнгам, Донни должен найти способ остановить его.

Донни и Эйприл объединяются в команду, чтобы расследовать исчезновение британского нейрохимика доктора Тайлера Роквелла. Расследование приводит их к странному обезьяне-мутанту. Они понимают, что Роквелл и есть та самая обезьяна-мутант, который используется в эксперименте его коллегой доктором Виктором Фалко.

После битвы с Пурпурными Драконами в магазине лапши, Лео боится, что он показывает слишком много милосердия к врагам. Шреддер посылает за черепашками Ксевера Монтеса вместе с фут-клановцами. Всё становится ещё хуже, когда Ксевер берёт владельца магазина лапши, мистера Мураками, в заложники.

После того как Эйприл получила послание от отца, переданное голубем-мутантом по имени Пит, она и черепашки отправляются на миссию по спасению отца Эйприл и спасению Нью-Йорка от мутагенной бомбы. Но черепашки оказываются совершенно не готовы к встрече с Шреддером, который нападает на них. Случайно на Криса Брэдфорда и Ксевера попадет мутаген и они мутируют.

После ночного кошмара Сплинтера, где Шреддер побеждает черепашек, он начинает тренировать сыновей в режиме 24/7. Вскоре черепашкам предстоит защитить дом в канализации, потому что Шреддер приказывает уничтожить его с помощью хлорсульфоновой кислоты (опасный химикат, сильно реагирующий на воду).

Пурпурные Драконы пытаются украсть телефон Эйприл. Одновременные угрозы от Пурпурных Драконов и роботов маусеров, изобретённых Бакстером Стокманом, заставляют черепашек разбиться на две группы: Лео и Раф, Донни и Майки.

После того как черепашки спасают миссисипского аллигатора от Крэнгов, Майки ухаживает за ним и становится ему другом. Черепашки узнают, что у аллигатора Кожеголового есть аккумулятор Крэнгов, который они ни за что не должны вернуть себе.

Черепашки должны спасти город и разум Сплинтера от доктора Виктора Фалко, который мутировал в Крысиного Короля.

Змейквьюн (мутант из первой серии) возвращается и похищает людей. Устав от постоянной критики Рафа на тему как надо быть лидером, Леонардо уходит и ставит на место себя Рафаэля. После ухода Леонардо встречает девушку-ниндзя по имени Караи, которая пытается заманить его на тёмную сторону.

Леонардо и Рафаэль обсуждают доверие к Караи. Черепашки впервые приходят в школу, когда школьный проект Эйприл привлекает внимание Крэнгов. Караи узнаёт о существовании Крэнгов и пытается рассказать об этом Шреддеру, но ему это не интересно. Караи следует за черепашками в лабораторию Крэнгов, где её находит Раф. Все события приводят к очередному сражению с Крэнгами.

Донателло превращает вагон метро Кожеголового в военный фургон, Майки называет его Панцеробус. Во время тест-драйва Панцеробуса, черепашки встречают их первого фаната — подростка в костюме, который борется с преступниками под именем «Пульверизатор», который на самом деле является ленивым подростком, который не имеет представления как защищать себя. В это время, Бакстер Стокман создаёт для Саблезуба кибернетические ноги, используя украденные технологии Крэнгов, а сами Крэнги ищут потерянный аккумулятор.

Во время проникновения в ИТКИ (Исследовательский Техно-Космический Институт), чьё местоположение было сообщено черепашкам Кожеголовым, они узнают о настоящих планах Крэнгов — открыть портал в Измерение X и начать вторжение. Черепашки пытаются остановить Крэнгов и это приводит к их сражению с Траагом. Во время боя, Майки находит Устройство Для Хранения Информации Крэнгов. Донателло расшифровывает информацию и понимает, что главная цель Крэнгов — Эйприл.

Донателло создаёт шпиона-таракана, который должен следить за Крэнгами в ИТКИ. Черепашки узнают, что Крэнги собираются просверлить Землю до ядра. Во время слежки, таракан случайно мутирует. Когда черепашки находят таракана, они узнают, что его цель — Рафаэль, так как он пытался уничтожить его ранее, вследствие боязни тараканов.

Стокман просит у Шреддера разрешение на использование своего нового изобретения, которое уничтожит черепашек. На самом же деле, Стокман пытался уничтожить не только черепашек, но и отомстить Острозубу и Саблезубу за то, что они угрожали ему. Он заманивает их всех в смертельный лабиринт, который называет «Лабиринт Страха». Теперь черепашки, Острозуб и Саблезуб должны заключить временное перемирие, чтобы выбраться из лабиринта живыми. В это время Сплинтер пытается подобрать идеальное оружие для Эйприл, в то время как она узнаёт больше о прошлом Сплинтера.

Когда вторжение Крэнгов угрожает уничтожением черепашкам и всему миру, Караи решает объединиться с черепашками. Объединение с Караи становится не такой плохой затеей, тем более, что она может украсть у Шреддера более мощные оружия. Но когда черепашки решают навсегда распрощаться со Шреддером, доверие Караи улетучивается и теперь черепашки должны победить Шреддера, Караи и Крэнгов.

После того как черепашки узнают о планах Крэнгов заменить Земную воду на Крэнг-воду, они проникают на подводную базу Крэнгов, охраняемую морским созданием из Измерения X. Шреддер допрашивает пойманного Крэнга и узнаёт, что Эйприл является не только союзником черепашек, но и ключом Крэнгов к захвату всей Земли и он посылает Караи поймать Эйприл. Эйприл успешно убегает от Караи, но когда оказывается в ловушке, проигрывает, но сбегает, использовав урок Сплинтера о том, как вывести противника из равновесия.

Сплинтер заставляет черепашек поменяться оружием и научиться использовать всё вокруг, как боевое средство. Шреддер узнаёт о том, как работает мутаген и планирует создать целую армию мутантов. Пульверизатор, ставший одним из фут-клановцев, помогает черепашкам узнавать, что планирует Шреддер. Когда он по доброй воле соглашается быть испытуемым в экспериментах с мутагеном, черепашки должны спасти его.

Во время исследования разрушенной базы Крэнгов, на черепашек нападает огромная мутант-оса, которая жалит Лео. После того как оса погибла, черепашки находят яйцо, которое Лео предлагает отнести в логово. Той же ночью Раф пытается уничтожить яйцо, но его останавливает Лео, который находится под воздействием токсина осы, который заставляет его охранять яйцо. Лео кусает Рафа, заражая его. Майки и Донни пытаются вылечить его, но Донни кусают во время схватки и он не успевает закончить антидот. Донни объясняет Майки как приготовить антидот, после чего поддаётся токсину и кусает Майки. Последний заканчивает антидот и лечит себя и братьев, в то время, когда новорождённые осы вылупились из яйца. Позже Майки уничтожает их с помощью пушки в Панцеробусе.

В попытке произвести впечатление на Эйприл, Донни в одиночку врывается на базу Крэнгов, чтобы спасти Кирби (отца Эйприл). Донни спасает Кирби, но они оба оказываются в ловушке вместе с опасным мутантом под именем Нейтритон. Эйприл слышит звуки, которых не слышит Сплинтер. Черепашки спасают Кирби и убегают от Нейтритона. Они приводят Кирби в логово, где он воссоединяется с его дочерью, но они не знают, что Кирби находится под влиянием Крэнгов.

Крэнги собираются начать вторжение и черепашки должны их остановить. Им необходимо закрыть портал перед тем, как появится Технодром и также освободить Эйприл из плена Крэнгов, которую они схватили с помощью Шреддера. Черепашки уничтожают ИТКИ, но Технодром уже проходит через портал.

Черепашки должны пробраться на Технодром, чтобы спасти Эйприл. Сплинтер выходит лицом к лицу со Шреддером после победы над Острозубом и Саблезубом. Когда он узнаёт в Караи свою давно потерянную дочь Миву (которой Шреддер сказал, что Сплинтер убил её мать), он в печали отступает. В Технодроме, черепашки должны одолеть Лидера Крэнгов, чтобы спасти Эйприл перед тем, как Крэнги соберут образец её ДНК.