熱帯・亜熱帯を中心に全世界の海洋に分布するが、南極海には分布しない。生活形態は種類によって異なり、ヒメウミガメやタイマイのように沿岸からあまり離れない[要出典]ものと、アカウミガメやオサガメのように外洋を長距離にわたって回遊するものとがいる。しかし白亜紀においては一部を除いて外洋を回遊する事は無く、各地で多種多様なウミガメが繁栄していた。
四肢は上下に平たく、特に前脚は長大である。泳ぐ時は前脚を櫂のように使って水を掻き、後脚で舵をとる。海中を羽ばたくように泳ぐ姿は優雅にも見えるが、敵から逃げる際などはかなりの速度で泳ぐ。甲は上下に平たく、後方に向かってすぼむ水滴形、もしくはハート形をしている。甲の表面は大多数のカメと同様堅固な甲板に覆われるが、オサガメは甲板がない。
カメとしては大型で、小型種のヒメウミガメでも成体になれば甲長60cmを超える。最大種オサガメは甲長2mに達し、ウミガメ上科のみならず現生カメ類の最大種でもある。化石種では中生代白亜紀の地層に生息したアーケロン Archelon spp.、新生代始新世のエオスファルギスなど、甲長2mを超すものが多数生息していた。
基本的に生涯を海中で過ごしメスの産卵以外は陸上に上がらない。しかし肺呼吸をする爬虫類なので、たまに海面に上がって息継ぎをする。採餌は海中で行い、海草、海綿動物、クラゲ、魚類、甲殻類などを食べる。食性は種類によって異なる。
産卵の際、メスは砂浜に上陸し、潮が満ちてこないほどの高台に穴を掘ってピンポン玉ほどの大きさの卵を一度に100個ほど産み落とす。産卵後、メスは後脚で砂をかけて卵を埋め、海へ戻る。砂の中に残された卵は2ヶ月ほどで孵化し、子ガメは海へ旅立つ。小さい子ガメはほとんどが魚類や海鳥などに捕食され、成長できるのはわずかである。また砂浜から海に向かう最中もカニ、フナムシ等に襲われる。
この産卵の際、「涙を流す」といわれるが、実際は涙ではなく溜まった塩分を体外に排出している。ウミガメの眼球の背後には、眼球自体に匹敵する大きさまで肥大化した涙腺が存在する。かれらはこれにより体内に取り込んだ余分な塩分を濾過し、常に体外に放出することで体内の塩分濃度を調節している。ウミガメの頭骨は、この肥大化した涙腺を収めるために眼窩同士を隔てる骨の壁が退化し、失われている。
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