Прошел год после того, как черепашки победили Шреддера. Однако Лео, Донни, Майки и Раф до сих пор скрываются от людей. По договоренности с черепахами славу за их деяния получил Верн Фенвик. А между тем Эйприл обнаруживает, что ученый по имени Бакстер Стокман работает на Шреддера и планирует помочь ему сбежать из тюрьмы. Эйприл тут же информирует об этом черепах.
Шреддера перевозят из одной тюрьмы в другую вместе с двумя другими заключенными, Бибопом и Рокстеди, а сопровождает их офицер Кейси Джонс. При перевозке на них совершает нападение Клан Фут. Несмотря на вмешательство черепах, Шреддеру удается сбежать благодаря тому, что Стокман использует устройство телепортации. В момент телепортации Шреддера похищает инопланетный военачальник Крэнг из другого измерения.
Крэнг рассказывает Шреддеру о своих планах вторгнуться на Землю и дает ему мутаген, для создания помощников, а взамен берет с него обещание, что тот найдет все три части устройства, которое он отправил на Землю много лет назад. Если объединить все три части, то полученное устройство откроет портал в измерение Крэнга. И Крэнг знает, что у Стокмана уже есть одна часть. Кейси Джонс после провала с перевозкой пленников, решает самостоятельно их найти.
Вернувшись в Нью-Йорк, Шреддер вербует Бибопа и Рокстеди, которым тоже удалось сбежать. Используя мутаген Крэнга, он превращает их в мощных мутантов. Бибоп становится похож на человекоподобного кабана, а Рокстеди на человекоподобного носорога. Эйприл становится свидетелем их трансформации, и ей удается украсть одну ампулу мутагена. Клан Фут начинает ее преследовать, но тут ей на помощь приходит Кейси, который спасает ее, используя хоккейную клюшку и шайбы.
Эйприл представляет Кейси черепахам. Рай и Майки начинают над ним подшучивать. В логове черепах Донни выясняет, что мутаген можно использовать для превращения черепах в людей, что даст им возможность жить нормальной жизнью и скрываться в канализации больше будет не нужно. Леонардо против этой идеи и настаивает на том, что им не нужно рассказывать об этом остальным.
Подслушав их разговор, Майки все рассказывает Рафу. Раф начинает злиться и это приводит к серьезному спору между братьями. Леонардо снимает Рафа и Майки с задания. Прежде чем Лео и Донни успевают добраться до Национального музея Нью-Йорка, Шреддер, Бибоп и Рокстеди успевают украсть из него вторую часть устройства. Взбешенный Раф отправляется с Майки, Эйприл, Кейси и Верном в полицейский участок, чтобы забрать попавший туда мутаген. Верн отвлекает полицейских, а Эйприл и Верн пытаются выкрасть мутаген.
Но и тут их опережает Клан Фут. Начинается сражение и полиция замечает черепах. Их реакцией на появление мутантов становятся страх и ненависть. Эйприл и Кейси вмешиваются и пытаются помочь братьям сбежать, но в итоге их арестовывают. Также в руки полиции попадает видеозапись, на которой Эйприл крадет мутаген. Стокман отредактировал запись, и мутация Бибопа и Рокстеди на ней осталась за кадром.
Бибоп и Рокстеди отправляются в Бразилию, в тропические леса Манауса, чтобы достать третью часть устройства. Черепахи выслеживают их и отправляются за ними. Однако в итоге Бибопу и Рокстеди удается скрыться вместе с последней частью устройства. К тому времени как черепахи возвращаются в Нью-Йорк, Шреддер и Стокман соединяют три части устройства и открывают портал в измерение Крэнга. Через этот портал модульный военный корабль, Технодром, начинает перемещаться на Землю.
Шреддер предает Стокмана и велит своим людям отвезти его в их штаб-квартиру в Токио. Но как только Крэнг появляется на Технодроме, он предает Шреддера. Он замораживает его и отправляет в свою коллекцию побежденных врагов. Тем временем черепахи активно обсуждают вопрос принимать мутаген, чтобы превратиться в людей и открыто сражаться или нет. Полиция сильно им мешает и из-за нее они не смогут добраться до Технодрома. Хотя Лео и соглашается пойти на такой шаг, но Раф разбивает пробирку с мутагеном и говорит, что они должны быть сами собой. По просьбе Эйприл, Верн находит недостающие кадры и доказывает, что Стокман и Шреддер действуют вместе.
Эйприл и Кейси отпускают. Они устраивают встречу между черепахами и шефом полиции Ребеккой Винсент. На встрече им удается убедить Винсент, что они не враги, и что именно они победили Шреддера в первый раз. При поддержке полиции черепахи отправляются на Технодром. И хотя Крэнг оказывается сильнее черепах, но им удается заставить телепортирующее устройство работать в обратном направлении. Корабль Крэнга вместе с ним самим затягивает обратно в его измерение, после чего Эйприл, Кейси и Верн закрывают портал. Напоследок Крэнг клянется, что он еще вернется и отомстит.
Бибопа и Рокстеди снова посадили за решетку, но Стокман так и остался на свободе. Ночью Винсент награждает черепах, Эйприл, Кейси и Верна и отдает черепахам золотой ключ от города, который до этого был у Верна. Винсент предлагает рассказать людям о черепахах, но те предпочитают сохранить свое существование в тайне. Но несмотря ни на что, они будут продолжать помогать людям. В конце черепахи празднуют победу над Крэнгом на вершине статуи Свободы.
