Le projet a d'abord été annoncé sous le simple titre 'Ninja Turtles' avec l'idée que les tortues proviendraient d'une race extraterrestre, une orientation voulue par Michael Bay qui a provoqué une vague de critiques dans la communauté des fans.

Un script abandonné intitulé 'The Blue Door', écrit par Appelbaum et Nemec et daté du 30 janvier, a fuité en ligne en août 2012 : il transformait les tortues en guerriers venus d'une autre dimension, faisait de Splinter un extraterrestre, renommait Shredder 'Colonel Schrader' (un agent gouvernemental alien) et centrait l'intrigue sur un Casey Jones de 18 ans ; Paramount a envoyé une mise en demeure au site qui l'hébergeait.

L'acteur Robbie Rist, voix de Michelangelo dans les trois premiers films, a écrit à Michael Bay pour l'accuser d'avoir 'sodomisé' la franchise après l'annonce de l'origine extraterrestre des tortues, avant de reconnaître avoir peut-être exagéré.

Le rôle d'April O'Neil marque les retrouvailles professionnelles de Megan Fox avec Michael Bay après qu'elle l'eut comparé à Adolf Hitler suite à sa mauvaise expérience sur Transformers: Revenge of the Fallen ; Jessica Biel avait aussi manifesté son intérêt pour le rôle.

William Fichtner a d'abord été engagé pour incarner littéralement le Shredder sous le nom francisé 'Eric Sacks' (anglicisation d'Oroku Saki), mais après des accusations de whitewashing, le film a été retourné pour faire de Sacks le fils adoptif du véritable Shredder, incarné par l'acteur japonais Tohoru Masamune ; le jeu vidéo dérivé du film a cependant conservé la version originale où Sacks est le Shredder.

Pete Ploszek a assuré la capture de mouvement de Leonardo mais sa voix a finalement été doublée par Johnny Knoxville dans le premier film ; Ploszek reprendra à la fois le jeu physique et la voix du personnage dans la suite.

Alan Ritchson (Raphael) a confié avoir hésité à accepter un rôle en performance capture, mais s'est laissé convaincre par la promesse d'avancement de carrière et par l'envie de faire plaisir à son fils, grand fan de la franchise ; il a ensuite déploré que les acteurs des tortues aient été moins bien traités que Megan Fox et Will Arnett, n'étant notamment pas invités à la première malgré les promesses.

Pour donner des expressions faciales plus nuancées aux tortues numériques, Industrial Light & Magic a utilisé un nouveau système de capture faciale avec deux caméras haute définition, générant environ un téraoctet de données par jour ; chaque tortue a reçu une silhouette distincte inspirée de sa personnalité, Donatello étant comparé à un basketteur, Raphael à un joueur de football américain et Michelangelo à 'un tout petit Messi' jouant au foot.

À la fin du film, Michelangelo tente de séduire April en chantant 'Happy Together', une chanson du groupe The Turtles, clin d'œil au nom du groupe partageant celui des personnages.

En Australie, une affiche montrant les quatre tortues sautant d'un gratte-ciel en explosion pour une sortie prévue le 11 septembre a suscité une controverse en raison de sa ressemblance avec les attentats du 11-Septembre, poussant Paramount à s'excuser et à retirer l'affiche.