ในแต่ละปี จะมีเต่าทะเลที่อยู่ในวัยเจริญพันธุ์ผสมพันธุ์ตามบริเวณต่าง ๆ ในมหาสมุทร ในตอนผสมพันธุ์ ตัวผู้จะเกาะหลังตัวเมียด้วยการกัดเข้าที่คอของตัวเมียเพื่อไม่ให้หลุด หลังจากปฏิสนธิแล้ว ตัวเมียจะขึ้นหาดขุดทรายวางไข่ โดยเต่าทะเลทุกชนิดขึ้นมาวางไข่เฉพาะเวลากลางคืน ยกเว้นเต่าหญ้าแอตแลนติกเท่านั้นที่มีพฤติกรรมวางไข่ในเวลากลางวันด้วย[2] และส่วนใหญ่จะขึ้นมาวางไข่บนหาดที่ถือกำเนิด ถึงแม้ว่าจะอยู่ห่างไกลแค่ไหนก็ตาม ทั้งนี้สันนิษฐานว่า เต่าทะเลจะกลับมาโดยอาศัยการตรวจจับสนามแม่เหล็กโลก[3] เต่าทะเลตัวเมียเมื่อขึ้นจากน้ำก็จะคลานขึ้นมาบนหาดเพื่อหาจุดที่เหมาะสมในการวางไข่ แต่ถ้าพบว่าหาดนั้นมีแสงสว่างและเสียงรบกวนจะคลานกลับลงน้ำโดยไม่วางไข่ เมื่อพบจุดที่ต้องการก็จะใช้ขาคู่หลังขุดหลุม จนมีลักษณะคล้ายหม้อสองหู การขุดก็จะทำอย่างระมัดระวังโดยใช้พายข้างหนึ่งโกยทรายแล้วดีดออก เมื่อทรายที่ขุดมากขึ้นก็จะใช้พายอีกข้างช่วยโกยออก ต่อจากนั้นก็จะวางไข่ ซึ่งมีลักษณะนิ่มคลุม โดยเต่าแต่ละตัวสามารถที่จะขึ้นมาวางไขได้สองหรือสามครั้ง ขณะที่วางไข่อาจมีของเหลวไหลออกมาจากตา ทั้งนี้เพื่อรักษาระดับความชื้นและป้องกันทรายเข้าตา ซึ่งดูแล้วเหมือนกับว่าเต่าร้องไห้ ซึ่งของเหลวที่ขับออกมานี้คือ เกลือ[4] ไข่เต่าแต่ละฟองจะมีเส้นผ่าศูนย์กลาง 4 ถึง 7 เซนติเมตร (1.5-2.5 นิ้ว) หลังจากไข่เสร็จ เรียบร้อยแล้วก็กลบหลุมและทุบทรายให้แน่น แล้วพรางหลุมโดยการกวาดทราบข้างเคียงจนสังเกตตำแหน่งได้ยาก

ในแต่ละฤดูกาล เต่าตัวเมียจะวางไข่ทุกช่วงสัปดาห์จนกว่าจะหมดท้อง ซึ่งบางตัวอาจจะมีถึง 1,000 ฟอง โดยใช้เวลาในการขึ้นมาวางไข่บนหาด 3-8 ครั้ง แล้วจะกลับมาวางไข่อีกครั้งหลังจากเวลาผ่านไป 2-4 ปี ดังนั้น จำนวนรังในแต่ละปีจึงเปลี่ยนแปลงตลอด ด้วยสาเหตุที่ปริมาณการรอดตายของลูกเต่าทะเลน้อยมาก ดังนั้น ในการวางไข่แต่ละครั้งจึงมีจำนวนมาก ถ้าหาดที่เต่าทะเลขึ้นมาวางไข่ มีพื้นที่น้อย โอกาสที่ไข่เต่าทะเลจะถูกทำลายโดยน้ำท่วมหรือจากน้ำฝนจะมีมาก อุณหภูมิภายในหลุมก็มีผลกระทบต่อการฟังตัว กล่าวคือ ถ้าอุณหภูมิอยู่ในระดับปรกติ โอกาสที่ลูกเต่าทะเลจะฟังจากไข่เป็นเพศเมียทั้งหมดมีมาก ในทำนองเดียวกัน ถ้าอุณหภูมิภายในหลุมต่ำกว่าภายนอก ลูกเต่าทะเลที่ออกจากไข่ก็จะเป็นเพศผู้ทั้งสิ้น

ไข่เต่าทะเลที่รอดจากน้ำท่วมและสัตว์อื่นกินเป็นอาหาร ก็จะฟักออกมาเป็นตัวภายใน 60 วันพร้อมกัน เมื่อลูกเต่าทะเลออกจากไข่ก็จะคลานขึ้น ผิวทราย ก่อนจะถึงผิวหน้าทรายก็จะหยุดตรงจุดที่ลึกจากผิวประมาณ 5 เซนติเมตร เพื่อรอให้อุณหภูมิภายนอกต่ำจึงออกจากทราย ซึ่งส่วนใหญ่ ก็เป็นเวลากลางคืนจึงออกจากหลุมแล้วคลานลงทะเลอย่างรวดเร็ว ช่วงคลานลงทะเลนี้จะเป็นช่วงเวลาที่อันตรายที่สุด ลูกเต่าทะเลทุกตัวจะหันหัวไปยังเส้นขอบฟ้าในทะเลที่สว่างที่สุด ถ้ามีแสงบนหาดก็จะชักจูงให้คลานเข้าหาและในที่สุดก็จะเป็นอันตรายถึงตายได้ มีสัตว์หลายชนิดกินลูกเต่าทะเลเป็นอาหาร เช่น ในช่วงที่คลานลงทะเลก็จะเกิดอันตรายจากนก สัตว์เลื้อยคลานด้วยกันเช่น เหี้ย หรือสัตว์ผู้ล่าอื่น ๆ เช่น พังพอน รวมทั้งมนุษย์ เมื่อถึงน้ำอาจจะถูกปลาฉลามหรือปลาขนาดใหญ่กว่ากินเป็นอาหารได้

ในสัปดาห์แรก ลูกเต่าทะเลไม่สามารถที่จะดำน้ำและใช้ชีวิตใต้ท้องทะเลได้เป็นเวลานาน เพราะยังว่ายน้ำไม่แข็งพอที่จะหลบหลีกจากผู้ล่าได้ การหลบหลีกศัตรูในช่วงนี้จึงใช้วิธีหลบอาศัยและดำรงชีวิตตามสาหร่ายทะเลหรือพืชทะเลที่ล่องลอยในทะเล ซึ่งใช้เวลาประมาณ 1 ปี จึงจะแข็งแรงพอที่จะเอาชีวิตรอดได้ คาดว่าเต่าทะเลมีอายุยืนยาวนานกว่า 60 ปี[5]