Per quanto riguarda le tartarughe marine vere e proprie, iniziarono ad evolversi nel periodo Cretaceo, tra 145 e 100 milioni di anni fa, raccolte nella famiglia delle Protostegidae, estinta nell’Oligocene.
Sono queste tartarughe che presentano per la prima volta vari accorgimenti per la vita marina esistenti anche oggi, come le pinne, il guscio non pesante e la ghiandola del sale, oltre al particolare sistema di orientamento attraverso le correnti marine usato nel periodo riproduttivo.
Vi appartenevano esseri di grande taglia, abili nuotatori (come indicano le grandi zampe a paletta ed il guscio molto ridotto e senza lamine osee), simili nella forma alle odierne Tartarughe Liuto: Archelon ischyros, il gigante tra tutte le tartarughe mai esistite, lungo più di 5 metri e mezzo e pesante più di due tonnellate e Protostega gigas, anch’essa dalle dimensioni imponenti (circa 3 metri).
Molti generi di tartarughe marine si svilupparono nei periodi successivi, sia nella famiglia estinta delle Protostegidae, sia nelle altre due famiglie che esistono ancora oggi, Dermochelydae e Cheloniidae.