Imagens comoventes de aves e mamíferos marinhos, cobertos com substâncias semelhantes a alcatrão e lutando para se manter à tona em mares encharcados de óleo, retratam graficamente os efeitos imediatos de um derramamento. Os efeitos de longo prazo, no entanto, ocorrem muito abaixo da superfície e permanecem por anos. Muito depois que as manchas desaparecem, as toxinas no óleo podem afetar populações inteiras de vida marinha, limitar o comércio que os mares fornecem, poluir os alimentos que comemos e alterar permanentemente o ecossistema.
Segundo a Agência de Proteção Ambiental dos EUA, os efeitos de um derramamento de óleo dependem dos componentes químicos do óleo, da rapidez com que se espalha e da velocidade da limpeza. Produtos refinados mais leves, como gasolina e querosene, espalham-se rapidamente sobre a superfície da água, tornando-os mais difíceis de conter e remover; no entanto, evaporam rapidamente e deixam pouco resíduo. Óleos refinados mais pesados espalham-se mais lentamente, facilitando alguns aspectos da limpeza. Infelizmente, esses óleos são "mais persistentes" e podem permanecer na água ou nas praias por longos períodos, dando mais tempo às suas toxinas para poluir o ambiente.
Numerosas variedades de crustáceos, peixes, mamíferos e aves dependem de leitos de kelp, recifes de coral e piscinas de maré como habitats que oferecem alimento, abrigo e berçários. Toxinas de derramamentos de óleo próximos à costa podem matar kelp e outras gramíneas marinhas. Óleo penetrando na lama de planícies de maré pode afetar colônias de aves nidificantes destruindo seu suprimento de alimento. A EPA observa que recifes de coral já sofrendo a poluição inicial de um derramamento podem receber um segundo golpe dos efeitos negativos de "certas operações de limpeza".
A vida marinha prospera através de interações complexas entre peixes, aves, mamíferos e seus habitats. Segundo a EPA, derramamentos de óleo representam menos perigo imediato para baleias e peixes em águas abertas, pois podem ir mais fundo ou nadar para longe do derramamento. Tartarugas, golfinhos e outros animais marinhos vivendo mais perto da costa correm risco de morte por contato com o próprio óleo. Respirar fumos do óleo pode causar danos ao fígado, intestinos e pulmões. Eles também experimentam inanição à medida que seu suprimento de alimento diminui ou morrem após ingerir plantas, peixes ou crustáceos contaminados.
Penas revestidas de óleo grudam e impedem as aves de voar. Este processo também prejudica sua capacidade de flutuar. À medida que as aves se afogam e afundam, podem se tornar presas para peixes que passam as toxinas ingeridas para cima na cadeia alimentar quando se tornam presas de peixes maiores ou mamíferos. A EPA observa que a exposição a toxinas do óleo também pode afetar negativamente as capacidades reprodutivas da vida marinha, incluindo aves marinhas.
Além das óbvias repercussões estéticas e efeitos nocivos da ingestão de peixes contaminados ou outra vida marinha, derramamentos de óleo impactam humanos através da indústria pesqueira, esgotando populações de espécies de peixes e suas fontes de alimento. Derramamentos também podem influenciar esportes aquáticos como surfe e mergulho recreativo e reduzir o turismo em comunidades costeiras.