Derramamentos de petróleo podem danificar severamente ambientes marinhos e custar milhões em limpeza. Em junho de 2011, os mais custosos foram o vazamento do Exxon Valdez no Alasca (1989) e o da BP no Golfo do México (2010). Derramamentos têm características que os tornam desastres perigosos; podem destruir habitat marinho inteiro se não limpos imediatamente.
Diferentes tipos de petróleo têm efeitos diferentes — cada um com sérios perigos. Petróleo flutua na água devido à menor densidade; ao vazar, espalha-se finamente na superfície, cobrindo grandes áreas. Embora comece a intemperizar e decompor naturalmente, essa decomposição leva longo tempo, tornando limpeza imediata necessidade. O processo depende do tipo de petróleo, local do vazamento e condições climáticas.
O U.S. Fish and Wildlife Service categoriza petróleos em cinco grupos: muito leve, leve, médio, pesado e muito pesado. Embora petróleos muito leves evaporem rapidamente, são das substâncias mais tóxicas quando liberados no mar. Podem matar peixes, plantas e organismos marinhos no contato inicial. Petróleos leves a muito pesados causam contaminação de longo prazo, com médios a muito pesados causando grande dano. Afetam todos animais comuns na água e podem matar aves aquáticas e focas. Limpeza leva muito tempo e custa milhões.
Vida marinha sofre de várias formas: ingestão, inalação, absorção e contato físico. Plâncton é o primeiro a sofrer, e formas de vida que se alimentam dele contaminam-se por ingestão. Peixes maiores e mamíferos que comem peixes também se contaminam, potencialmente incluindo humanos que consomem peixes contaminados. Se o vazamento fica abrigado em águas calmas, pode sobreviver no oceano por muito tempo. Contaminação de longo prazo pode mudar estrutura ecológica e potencialmente destruir permanentemente habitat de animais marinhos.
Derramamentos podem dizimar espécies de plantas, mas algumas algas prosperam. Plantas marinhas sobrevivem se limpeza for imediata. Invertebrados e peixes contaminados, por contato ou ingestão, envenenam-se, matando espécies em contato. Algumas morrem facilmente, outras sobrevivem com complicações biológicas severas. Peixes contaminados podem sobreviver mas tornar-se estéreis. Aves e mamíferos marinhos (focas, leões-marinhos) contaminam-se por contato físico. Petróleo anula propriedades isolantes de penas e peles, causando morte por frio. Petróleos médios a pesados cobrem animais com resíduo espesso, impedindo movimento e natação. Animais terrestres que se alimentam de carcaças também se contaminam.