城市在恢复平静后，大反派重新召集旧部卷土重来，并勾结外星恶势力朗格试图称霸地球，忍者神龟莱昂纳多（皮特·普劳泽克PetePloszek饰）、拉斐尔（阿兰·里奇森AlanRitchson饰）、多纳泰罗（杰瑞米·霍华德JeremyHoward饰）和米开朗基罗（诺尔·费舍NoelFisher饰）与女记者艾蓓丽尔·奥尼尔（梅根·福克斯MeganFox饰）、韦恩·芬威克（威尔·阿奈特WillArnett饰），及面具义警凯西·琼斯（斯蒂芬·阿梅尔StephenAmell饰）并肩作战打击恶徒。在史莱德（布莱恩·泰BrianTee饰）逃脱拘留后，他与疯狂的科学家巴克斯特斯·托克曼（泰勒·派瑞TylerPerry饰）及其两个笨拙的左膀右臂猪面和牛头联合，发布了一个控制世界的恶魔计划。在神龟们与史莱德及其同伙对抗的同时，他们发现自己正面临着一个更邪恶的力量大反派格朗，神龟们面对的将是宇宙级的强大对手。
阻止施莱德一年后，忍者神龟们从阿普丽尔·奥尼尔那里得知，科学家巴克斯特·斯托克曼正在为施莱德工作，并计划将他从监狱中救出。当惩教官凯西·琼斯将碎纸机与Bebop 和 Rocksteady一起在监狱之间转移时，脚族袭击了他们的车队。尽管有海龟的干扰，施莱德还是在斯托克曼使用传送装置时逃脱了。碎纸机在传送过程中被劫持，最终进入另一个维度，并遇到了外星军阀克朗 ，他透露了他入侵地球的计划。他给了施莱德一种诱变化合物，作为交换，他找到了克朗很久以前发送到地球的机器的三个部件，当联合起来时，这将打开通往他的维度的门户，因为施莱德和斯托克曼拥有第一个部件。凯西告诉纽约警察局 局长丽贝卡·文森特施莱德发生了什么事，但遭到怀疑，并决定自己去。
施莱德招募了贝博普和洛克斯泰迪，斯托克曼使用克朗的诱变剂将他们分别变成人形疣猪和犀牛。April 见证了他们的转变，并从 TCRI 实验室偷走了剩余的诱变剂小瓶。在脚的追赶下，她被凯西救了，凯西后来遇到了海龟，但小瓶被警方拘留。在巢穴中，多纳泰罗推断出诱变剂可以用来将海龟变成人类，但莱昂纳多拒绝并命令多纳泰罗对其他人保密。然而，米开朗基罗无意中听到并告诉拉斐尔，这激怒了拉斐尔并导致他和利奥之间发生了激烈的争吵。拉斐尔随后招募米奇、艾普丽尔、凯西和维恩·芬威克闯入纽约警察局总部并取回诱变剂，但脚先于他们到达。在随后的战斗中，海龟的存在被警方揭露，警方开始追捕它们，艾普丽尔和凯西在帮助兄弟俩携带诱变剂逃跑时被捕。
回收机器的第二个部件后，Bebop 和 Rocksteady 前往巴西马瑙斯的雨林，寻找最后一个部件。海龟们跟随他们并在半空中登上了 Bebop 和 Rocksteady 的喷气式飞机。在随后的战斗中，Rocksteady 发射了安装在坦克上的Mark 19 榴弹发射器，导致飞机严重受损，并坠入河中，但 Bebop 和 Rocksteady 最终带着组件逃脱。施莱德和斯托克曼完成了该装置，并打开了通往克朗维度的门户，通过该门户他的战争机器科技馆，开始出现。施莱德背叛了斯托克曼，他的手下把他带到了东京的总部。当进入科技馆时，克朗同样背叛了施莱德，将他冷冻起来，并将他与其他被击败的敌人关在一起。
由于警察的追捕，海龟们无法到达科技馆，他们争论是否要服用诱变剂来变成人类并公开战斗。莱昂纳多同意了，拉斐尔打碎了瓶子。根据 April 的要求，Vern 从隐藏的 TCRI 摄像机中恢复了安全录像，证明了 Stockman 和 Shredder 的合作，并确保了 April 和 Casey 的释放。艾普丽尔安排海龟和文森特会面，并让她相信他们不是敌人。在警察的帮助下，海龟们从克莱斯勒大厦跳下，在仍在组装的科技馆上与克朗对峙。当多纳泰罗短路他的机器人身体时，克朗被击败。四月，凯西和弗恩袭击了足部族设施，击败了比波普、洛克斯泰迪和碎纸机的中尉卡莱并控制该设备。海龟们能够将飞船的信标从传送门扔回，带走克朗和科技馆的其余部分，而艾普丽尔、凯西和弗恩则关闭了传送门。
Bebop 和 Rocksteady 再次被拘留，而 Stockman 仍然逍遥法外。文森特和纽约警察局以及阿普丽尔、凯西和弗恩都向这些海龟致敬。文森特提出向公众介绍这些海龟，但海龟们选择对它们的存在保密，同时仍然像往常一样提供帮助。在自由女神像的顶部，海龟们庆祝战胜了被击败的克朗人。