Derramamentos de óleo têm vários efeitos em diferentes espécies de animais marinhos. Classificam-se como efeitos físicos e químicos. Os físicos resultam da natureza física do óleo; os químicos, dos componentes tóxicos.
Em derramamento, o óleo flutua na superfície. Afeta aves e focas cobrindo seus corpos com substância viscosa. O óleo fica mais pegajoso com o tempo, aderindo mais. A camada de óleo em aves marinhas e focas leva à hipotermia destruindo ou reduzindo as propriedades de isolamento e impermeabilização de penas e peles. Afeta mais filhotes de foca, que têm pelugem lanugo para isolamento até desenvolver gordura. Quando o lanugo é coberto por óleo, ficam mais vulneráveis à hipotermia.
Mamíferos marinhos perdem peso rapidamente quando não conseguem se alimentar pela contaminação do habitat. Aves marinhas desidratam ao rejeitar água de gosto ruim e morrem de fome limitando mergulhos; tornam-se presas fáceis por não voarem com penas emaranhadas. Dugongos têm dificuldade para comer com óleo nos pelos sensoriais ao redor da boca. Quando óleo gruda em filhotes e mães, causa confusão: dependem do olfato para se identificar. O óleo disfarça o cheiro, levando à rejeição e abandono dos filhotes e sua inanição.
Derramamentos podem levar ao afogamento de filhotes de foca pelo óleo fazendo suas nadadeiras grudarem no corpo. Aves também são vulneráveis: óleo nas penas tem peso e penas pegajosas não retêm ar suficiente para mantê-las flutuando.
Derramamentos danificam corpos de animais marinhos: óleo danifica olhos de tartarugas causando conjuntivite, úlceras e cegueira. Causa irritação na pele e cavidades nasais e danos a hemácias. Ingerir alimentos contaminados danifica ou suprime o sistema imunológico, levando a infecções bacterianas ou fúngicas. Alimentos contaminados podem ser crustáceos, moluscos, algas ou peixes. Óleo também afeta hábitos reprodutivos reduzindo número de ovos e alterando características como espessura da casca.