Los ciclos de reproducción están regulados por estados fisiológicos y cambios ambientales. Una vez que los individuos alcanzan su madurez sexual, ésta se desarrolla de manera secuensial con muy pocas variaciones a lo largo de la vida, en la mayoría de las especies los días largos estimulan el desarrollo gonadal así que la epoca de reproducción ocurre generalmente en verano.
En las tortugas marinas los ciclos de reproducción son circadianos, es decir, se repiten en periodos anuales, bianuales, trianuales o a veces se vuelven irregulares.
En las tortugas marinas de tamaño pequeño como la lora y la golfina, el ciclo más frecuente es el anual, para la carey y la cahuama generalmente es bianual y para la verde, negra y la laud puede ser bianual o trianual.
Esta secuencia ciclica no es definitiva, ya que en ocasiones se retrasa por un año o se suspende por periodos más largos, debido a escazes de alimento, cambios ambientales, enfermedades, en individuos o muy jovenes o muy viejos, etc.
El momento de desove puede ser influido principalmente por las fases lunares, mareas, temperatura e incluso fuerza y dirección del viento. Las tortugas pueden desovar en cada temporada de 2 a 5 o más ocasines y la frecuencia y el número de estos desoves en una característica de la especie.
Las tortugas lora y golfina que son principalmente anuales forman arribazones, su ciclo es lunar de 28 días, generalmente durante los cuartos menguantes.
Las demás especies que no son anuales, el ciclo principalmente es de 10 a 14 días.
Particularmente la tortuga lora y golfina, existen unos poros que se localizan entre los escudos del puente que son las aberturas de las llamadas glándulas de Rathke; estas producen sustancias odoríferas que parecen tener características similares a las escensias que liberan los insectos, las cuales son conocidas con el nombre de feromonas, ambos sexos de tortugas marinas son portadores de las glándulas liberando la esencia en el agua, y parece tener funciones más amplias que la exclusiva atracción sexual, como es estimular el apareamiento o incluso la ovulación en las hembras.
Las hembras poseen una fecundación interna, los machos poseen un hemipene, un órgano que presenta un surco medio longitudinal que durante la cópula se convierte en un tubo que dirige el esperama hacia el fondo de la cloaca de la hembra. El apareamiento lo realizan en el mar.
Durante el cortejo, cuando la hembra acepta el macho dominante, del cual recibe mordiscos en el cuello y extremidades anteriores, toma una pose horizontal pasiva y el macho, por encima, la retiene con las uñas curvadas de las aletas anteriores, auxiliándose con las aletas posteriores de la hembra, iniciando el apareamiento. Cuando la hembra no está interesada se vuelve más activa, agresiva y, haciendo frente a los machos, evita la copula y se retira.
El apareamiento generalmente es más intenso antes de iniciarse las anidaciones, aunque no es requisito que éste ocurra a cada desove. Se ha encontrado que el esperma se almacena, por lo menos temporalmente, en unos pliegues de la parte media de los oviductos; debe penetrar a los óvulos antes de que se depositen las diferentes capas amnióticas y la cáscara, que dan forma definitiva al huevo, lo cual se realiza en el segmento anterior del oviducto.
El mecanismo por el cual se activan los espermatozoides en la cantidad necesaria para cada desove aún es desconocido y tampoco se sabe si la fertilización es un requisito previo a cada desove o si se fertilizan al mismo tiempo todos los óvulos que habrán de utilizarse en la temporada de reproducción,
El esperma se puede almacenar por largo tiempo, e incluso mantener su viabilidad para fertilizar los óvulos que formarán los huevos de la siguiente temporada; a esto se le conoce como fertilización tardía.
Para cada desove las hembras utilizan una cantidad variable de su masa corporal, de acuerdo a la talla que cada especie alcanza. Así, la laúd, que es de mayor, desova en cada ocasión 1.4% de su peso, y la golfina y la lora, que son las más pequeñas y tienen un metabolismo más activo, utilizan 9.9 y 8.7% respectivamente; las demás se encuentran en valores intermedios.
