Selain tempat penangkaran hiu, di Karimunjawa juga terdapat pusat penangkaran penyu. Penyu merupakan biota laut yang hampir punah dan keberadaanya sudah semakin langka. Bayi-bayi penyu (tukik-tukik kecil) dirawat di dalam kolam penangkaran dan berikutnya setelah remaja atau siap umur baru dilepaskan ke laut. Jenis penyu yang ditangkarkan di tempat ini adalah penyu hijau (Chelonia mydas) dan penyu sisik (Eretmochelys imbricata) dan keduanya terbilang hewan langka. Penetasan Semi Alami (PSA) penyu di Taman Nasional Karimunjawa terpusat di Pulau Menjangan Besar dan di Kemujan. PSA Kemujan telah menetaskan 1647 butir telur dan 534 ekor tukik diantaranya berhasil dilepaskan kembali ke alam. Keberhasilan penetasan telur sangat dipengaruhi suhu pasir terutama kedalaman pasirnya. Semakin dalam sarang maka suhu di dalamnya semakin stabil. Suhu rata-rata di penetasan semi alami berkisar sekira 30 derajat celcius.
Chelonia mydas, atau yang biasanya dikenal dengan nama penyu hijau adalah penyu laut besar yang termasuk dalam keluarga Cheloniidae. Penyu ini merupakan satu-satunya spesies dalam golongan Chelonia. Mereka hidup di semua laut tropis dan subtropis, terutama di Samudera Atlantik dan Samudera Pasifik. Namanya didapat dari lemak bewarna hijau yang terletak di bawah cangkang mereka. Jumlah Penyu Hijau semakin berkurang karena banyak diburu untuk diambil pelindung tubuhnya (karapaks dan platron) sebagai hiasan, telurnya sebagai sumber protein tinggi dan obat, juga dagingnya sebagai bahan makanan.
Telur-telur penyu hijau dan penyu sisik biasanya akan menetas selama kurang lebih 55 hari. Berikutnya setelah tukik menetas maka akan dipelihara dalam salah satu petak karamba berukuran 2 x 2 meter. Selama dipelihara dalam karamba, tukik diberi makan ikan kecil atau udang kecil.
Penyu sisik (Eretmochelys imbricata) adalah jenis penyu terancam punah yang tergolong dalam familia Cheloniidae. Penyu ini adalah satu-satunya spesies dalam genusnya. Spesies ini memiliki persebaran di seluruh dunia, dengan dua subspesies terdapat di Atlantik dan Pasifik. E. imbricata imbricata adalah subspesies di Atlantik, sedangkan E. imbricata bissa adalah subspesies di wilayah Indo-Pasifik.
Penampilan penyu sisik mirip dengan penyu lainnya. Penyu ini umumnya memiliki bentuk tubuh yang datar, dengan sebuah karapaks sabagai pelindung, dan sirip menyerupai lengan yang beradaptasi untuk berenang di samudra terbuka. Perbedaan E. imbricata dari penyu lainnya yang sangat mudah dibedakan adalah paruhnya yang melengkung dengan bibir atas yang menonjol, dan tampilan pinggiran cangkangnya yang seperti gergaji. Cangkang penyu sisik dapat berubah warna, sesuai dengan temperatur air. Walaupun penyu ini menghabiskan separuh hidupnya di samudra terbuka, sesekali mereka juga mendatangi laguna yang dangkal dan terumbu karang.
Imbricata memiliki tampilan menyerupai kura-kura laut. Seperti anggota keluarganya yang lain, penyu tersebut memiliki bentuk tubuh yang datar dan sirip seperti lengan yang beradaptasi untuk berenang.
Pinggiran karapaks yang bergerigi dan skat-skat yang saling tumpang tindih bisa ditemukan pada individu ini
Rata-rata penyu sisik dewasa diketahui dapat tumbuh sampai sepanjang 1 m (3 ft) dan berat sekitar 80 kg (180 lb). Penyu sisik terbesar yang pernah ditangkap memiliki berat 127 kg (280 lb).Cangkang penyu, atau karapaks, memiliki susunan latar belakang kuning dengan kombinasi garis-garis terang dan gelap yang tak beraturan yang didominasi oleh warna hitam dan bintik-bintik berwarna cokelat yang memancar ke arah samping.
Kesadaran masyarakat terhadap pentignya pelestarian hewan langka ini cukup menggembirakan. Saat ini ada dua kelompok pelestari penyu, yaitu di Desa Karimunjawa dan Kemujan. Anda dapat mencari Bapak Ismarjoko sebagai ketua Kelompok Pelestari Penyu Karimunjawa atau Bapak Heri yang mengetuai Kelompok Pelestari Penyu Kemujan di dusun Batu Lawang. Mereka telah berjasa melakukan berbagai upaya pelestarian penyu dengan membuat tempat penetasan semi alami hingga pembuatan karamba atau bak pemeliharaan tukik. Kegiatan yang dilakukan kelompok ini adalah translokasi telur penyu dari sarang alami ke penetasan semi alami, pemeliharaan tukik penyu, pelepasan tukik, dan monitoring habitat peneluran penyu. Penyu merupakan hewan langka dunia, sehingga kepunahan penyu di Indonesia akan sangat merugikan Indonesia sendiri akibat kehilangan keanekaragaman hewannya.
Pastikan Anda wisata ke kerimunjawa dengan berkunjung ke Pulau Menjangan Besar dan Pulau Tengah pada bulan yang tepat untuk menikmati sensasi berenang bersama hiu dan melihat langsung penangkaran penyu. Bulan terbaik untuk berkunjung ke Taman Nasional Karimunjawa adalah bulan April hingga Desember dimana angin dan cuaca cukup bersahabat.