Żółw zielony jest gatunkiem kosmopolitycznym. Występuje w wodach tropikalnych i w mniejszym stopniu w wodach subtropikalnych, a także na plażach przybrzeżnych.

Żółwie zielone podejmują złożone migracje przez siedliska zróżnicowane geograficznie. Uważa się, że zamieszkują wody przybrzeżne ponad 140 krajów.

Żółwie zielone poruszają się po trzech typach siedlisk, w zależności od etapu życia: dorosłe osobniki żerują na obszarach przybrzeżnych, jaja składają na plażach, natomiast młode osobniki kilka lat dryfują na otwartym oceanie. Dojrzałe żółwie spędzają większość czasu w płytkich wodach z dużą ilością glonów i traw morskich. Migrują między obszarami żerowania i gniazdowania. Siedliska żółwi zielonych obejmują rafy koralowe, słone bagna i przybrzeżne łąki trawy morskiej. Rafy koralowe dostarczają czerwonych, brązowych i zielonych alg, a także zapewniają ochronę przez drapieżnikami i burzami w oceanie. Słone bagna i łąki trawy morskiej zapewniają żółwiom zielonym obszerne siedlisko do żerowania.

Podobnie jak większość żółwi morskich, żółwie zielone są wysoce migrujące i korzystają z wielu siedlisk w ciągu swojego życia. Żółwie zielone nie są uważane za zwierzęta społeczne, ale mogą gromadzić się w morzu, a także w okresie lęgowym.

Mimo, że w oceanie szybko się poruszają, na lądzie są powolne, a także bezbronne. Żółwie zielone mogą spać pod wodą przez kilka godzin, natomiast pozostają pod powierzchnią znacznie krócej gdy nurkują w poszukiwaniu pożywienia lub uciekają przed drapieżnikami.

Po osiągnięciu dojrzałości płciowej, żółwie zielone rozpoczynają migracje lęgowe pomiędzy żerowiskami a obszarami gniazdowania (zwykle są nimi piaszczyste plaże). Wędrówek dokonują zarówno samce jak i samice. Mogą przemierzać strefy oceaniczne, często rozciągające się na tysiące kilometrów. W tym celu wykorzystują główne systemy prądowe. Gdy samica znajdzie odpowiednią plażę, wychodzi na ląd po zmroku i wykopuje duży dół do którego składa do 200 jaj. Następnie wraca do oceanu. Żółwie wykluwają się po 6-8 tygodniach. Opuszczają gniazdo w nocy i instynktownie kierują się bezpośrednio do wody. Młode żółwie po opuszczeniu plaży na której się wykluły, rozpoczynają fazę oceaniczną, która może trwać aż 27-50 lat do czasu osiągnięcia pełnej dojrzałości. Dlatego przez wiele lat przebywają w otwartych wodach oceanu.

Żółwie zielone, podobnie jak i inne gatunki żółwi morskich są zagrożone przez działalność człowieka na każdym etapie swojego życia – od jaj po postać dorosłą.

Wyjątkowo szkodliwe dla gatunku wydaje się być celowe zabieranie jaj oraz dorosłych osobników z plaż lęgowych, a także bezpośrednio z ich żerowisk. Niestety pomimo spadku liczebności żółwi zielonych, w kilku krajach praktyki takie pozostają legalne.

Ponadto na całym świecie zwierzęta te zagrożone są również ze względu przypadkowe zaplątanie się w sieci rybackie, degradację siedlisk (na plażach lęgowych i obszarach żerowania) oraz choroby. Rozbudowa infrastruktury w pobliżu plaż, przekształcanie ich na potrzeby człowieka, wydobywanie piasku – te i inne czynniki wpływają bezpośrednio na utratę siedlisk żółwi zielonych lub pośrednio, poprzez zmianę profili termicznych i narastającą erozję. W efekcie znacząco zmniejsza się dostępność plaż lęgowych. Obecność świateł na plażach wpływa na zwiększenie się śmiertelności wśród wyklutych żółwi, ponieważ świtała przyciągają je w odwrotną stronę niż jest woda, do której powinny się udać.

Degradacja siedlisk w środowisku morskich wynika głównie ze zwiększonej ilością ścieków oraz innych zanieczyszczeń spowodowanych rozwojem wybrzeża, a także budową przystani, zwiększonym ruchem statków i pozyskiwaniem przybrzeżnych alg morskich.

Żółwie zielone są objęte ochroną prawną na mocy wielu traktatów oraz ustaw. Znajduje się na Czerwonej Liście IUCN i jest wymieniony w I załączniku CITES.