Jedes Jahr zwischen Juli und Oktober ziehen mehr als dreißigtausend weibliche Grüne Meeresschildkröten an die gut 35 Kilometer langen schwarzen Sandstrände des Parks, um Gelege von achtzig bis einhundertzwanzig Eiern zu legen. Das Nistritual findet seit Millionen von Jahren statt, ungestört durch menschliche Besiedlung bis zur Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts, als der kommerzielle Fang von Schildkröten die Population fast zum Zusammenbruch brachte. 1975 gründete Costa Rica den Park, um das Schlachten zu stoppen, und innerhalb von zwei Jahrzehnten erholte sich die Anzahl der Grünen Meeresschildkröten von weniger als dreihundert Nestern pro Saison auf mehr als zwanzigtausend.
Heute findet eine Tortuguero-Schildkröten-Nisttour unter strengen Naturschutzprotokollen statt, die von Parkrangern und zertifizierten Naturführern durchgesetzt werden. Nicht mehr als zehn Besucher dürfen eine einzelne Schildkröte beobachten, und Taschenlampen sind verboten, sobald eine Schildkröte mit dem Nisten beginnt. Der Park öffnet jeden Morgen um 06:00 Uhr für Kanutouren durch das innere Kanalsystem, wo Kaimane, Riesenotter und Dreifinger-Faultiere das überflutete Kronendach des Waldes bewohnen. Morgendliche Abfahrten ermöglichen es Besuchern, das Dorf Tortuguero per Boot von La Pavona oder Moín aus zu erreichen, da keine Straßen in den Park führen. Die Naturschutzgebühr von 16,95 USD pro Person finanziert Ranger-Patrouillen und Brutprogramme, die Nester vor Wilderei und Raubtieren schützen.
Nachtwanderungen beginnen während der Nistzeit um 20:00 Uhr, geführt von Rangern, die den Strand in stündlichen Abständen patrouillieren. Gruppen warten in ausgewiesenen Bereichen, bis ein Ranger eine Schildkröte findet, die bereits mit dem Graben ihrer Nisthöhle begonnen hat. Sobald die Schildkröte in ihren tranceartigen Nistzustand eintritt, nähern sich die Besucher in Stille und kauern sich im Halbkreis hinter ihr, nah genug, um die Eier in den Sand fallen zu hören. Der gesamte Prozess dauert neunzig Minuten. Die Jungtiere schlüpfen sechzig Tage später, typischerweise im Morgengrauen, und krabbeln in Richtung Brandung, geleitet von der Reflexion des Lichts auf dem Wasser. Tortuguero-Schildkröten-Schlüpftouren finden separat statt und sind auf den Inkubationskalender abgestimmt, der von der Forschungsstation der Sea Turtle Conservancy im Park geführt wird.
Lederschildkröten, die größte Meeresschildkrötenart, nisten zwischen März und Mai an denselben Stränden. Echte Karettschildkröten und Unechte Karettschildkröten erscheinen sporadisch. Der Park verzeichnete 2019 seine höchste Nistzahl, als Überwachungsteams einundvierzigtausend einzelne Schildkröten über alle vier Arten hinweg markierten. Jede markierte Schildkröte kehrt alle zwei bis drei Jahre nach Tortuguero zurück und navigiert dabei tausende Kilometer durch den Atlantik von den Futtergründen in der Nähe von Nicaragua, Venezuela und den Guayanas.