タートルズは宇宙船から吸い出されて、気づくと2次元アニメの世界へ。世界を吹っ飛ばす兵器「ディメンショナイザー」を止めるため、80年代のタートルズが、未来のタートルズを呼んだのだった。2組のタートルズは最初反発しあうが最後には力を合わせてクランゲたちを異次元に追い出す。
タートルズたちの宇宙船に生物兵器スキーヴェックスが打ち込まれ、その際トーボーグが壊れてしまう。トーボーグとの知識の差に落ち込んでいたドナテロは何とか彼を修理。タートルズたちもスキーヴェックスを退治。船に乗り込んできたトリケラトンにブラックホール発生器の部品を取られるものの、何とか逃げおおせる。
トカゲコマンダーがロード・ドレッグにとらわれたと助けを求めるモナリザ。タートルズはコンチュイドへ向かうが、それは罠だった。モナリザに裏切られ、すっかり傷つくラファエロ。だがドレッグに脅されていたモナリザたちも後悔し、タートルズのために命をかける。ラファエロは愛を告白されて大復活。コンチュイドから脱出する。
ブラックホール発生器を発明したのはトーボーグだった。タートルズはブラックホールに飲み込まれる5分前の地球に下され過去の自分たちと協力してタイマーを止めることに成功する。トーボーグは発生器を持ち去るが、それは自らを犠牲にして発生器を破壊するためだ。
最後の部品を手に入れるため溶岩の惑星マグドマーに来たタートルたち。しかし部品は溶岩怪獣トッカの背に引っかかっていた。ようやく取り外すもドレッグに横取りされる。ドレッグから部品を受け取ったトリケラトンはブラックホール発生器を完成させ、地球で性能をテストすると告げた。