Der Haupteintrag von Schadstoffen ins Meer erfolgt direkt vom Land über Flüsse und die Atmosphäre, ein Großteil wird aber auch direkt von Offshore-Anlagen, Aquakulturen und Schiffen eingeleitet. Die Gefahr für die Meeresumwelt liegt nicht nur in der Menge und der Vielfalt der Stoffe, problematisch ist in vielen Fällen auch der schleichende Prozess schadstoffbedingter Schädigungen mariner Organismen beispielsweise durch die Anreicherung bestimmter Schadstoffe in der Nahrungskette. Schwermetalle, wie z. B. Quecksilber, verursachen Erbschäden in Lebewesen, die zu Missbildungen führen können. Durch die Bioakkumulation reichern sich Schwermetalle, aber auch Pestizide im gesamten Nahrungsnetz an. Vor allem Meeressäugetiere, wie Schweinswale oder die Kegelrobben, sind dadurch bedroht.

Die Bewegung des Wassers hält ein gewaltiges Energiegewinnungspotential bereit. Dieses Potenzial in großem Stil nutzbar zu machen erfordert vielfach einen hohen technischen Aufwand, der sich oft nachteilig auf wertvolle Meeresökosysteme auswirkt. Die Energiegewinnung durch Wasserkraftwerke erfordert jedoch neben technischen Höchstleistungen vor allem Standorte mit entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers. Die Standortwahl für Kraftwerke dieser Art ist folglich auf bestimmte Meeres- und Küstengebiete begrenzt, die oftmals ökologisch wertvolle Bereiche darstellen. Die Auswirkungen dieser Technik sind je nach Typ des Wasserkraftwerks unterschiedlich. So können Gezeitenkraftwerke beispielsweise die Wanderung von Fischen verhindern, Strömungskraftwerke verursachen Unterwasserlärm oder beeinflussen die Verdriftung planktischer Larven durch geänderte Strömungsmuster, durch die teilweise sehr großen Fundamente von Wellenkraftwerken können bodenlebende Meeresorganismen zerstört werden.

Nord- und Ostsee gehören aufgrund ihrer geringen Wassertiefe zu den sich am schnellsten erwärmenden Meeren der Erde. Steigende Wassertemperaturen führen nicht nur dazu, dass wärmeliebende, ursprünglich nicht in unseren Meeren heimische Arten einwandern, sondern sie bewirken auch, dass bislang heimische kälteliebende Arten in kältere Gewässer im Norden abwandern. Doch nicht nur die ansteigenden Wassertemperaturen, sondern auch der im Rahmen des Klimawandels zu verzeichnende steigende CO₂-Gehalt der Meere führt zu Beeinträchtigungen der Ökosysteme, die bereits heute nachweisbar sind. Das CO₂ gelangt aus der Luft ins Meerwasser. Dort bildet es Kohlensäure. Zerfällt diese Verbindung, verändert sich der pH-Wert des Meerwassers: es wird saurer. Diese Versauerung stellt vor allem für kalkbildende Organismen wie Muscheln, Seeigel oder auch Kieselalgen ein ernsthaftes Problem dar, denn sie sind dann nicht mehr in der Lage, ihre Schalen aus Kalziumkarbonat in der für ihren Lebensprozess erforderlichen Weise auszubilden.

Noch immer leiden Nord- und Ostsee unter zu hohen Nährstoffeinträgen, die die marine Umwelt stark belasten und die Biodiversität gefährden. Seit den 1980er Jahren konnte zwar ein Rückgang der Nährstoffkonzentrationen in Nord- und Ostsee festgestellt werden, dennoch führt der Nährstoffeintrag in unsere Meere noch immer zu gravierenden Veränderungen in den Ökosystemen. So trübt der übermäßige Nährstoffeintrag das Meerwasser, dadurch kann das Licht nur noch in geringe Wassertiefen vordringen. In der Folge können beispielsweise Seegraswiesen und Tangwälder, wie sie früher in Nord- und Ostsee bis in 30 Metern Wassertiefe zu finden waren, heute nicht mehr in solchen Tiefen gedeihen. Dieser Verlust wirkt sich auch negativ auf Tiere aus, die auf diesen Pflanzenbewuchs angewiesen sind.

Die großtechnische Beeinflussung von Ökosystemen mit dem Ziel, den Klimawandel aufzuhalten, wird oft unter dem Begriff des „Geo-Engineering“ zusammengefasst. Manche dieser Strategien betreffen auch Eingriffe in die Meere, so z.B. die großflächige „Düngung“ von Meeresregionen mit Eisen, um Planktonwachstum zu fördern und damit klimaschädliches CO₂ zu binden. Auswirkungen dieser Techniken auf betroffene Ökosysteme sind noch weitgehend unerforscht, sehr wahrscheinlich werden sie jedoch ähnliche Folgen haben, wie beispielsweise die Eutrophierung der Meere durch erhöhten
Nährstoffeintrag. Nicht alle Konsequenzen solch großräumiger Eingriffe in biologisch-chemische Vorgänge aber sind vorhersehbar, so dass der Einsatz dieser Techniken möglicherweise derzeit in ihrem Ausmaß kaum vorstellbare Beeinträchtigungen für die marine Lebenswelt haben kann.

Die Meere sind die größte und wichtigste CO₂-Senke der Erde. Dieses Potential will man sich zunutze machen, um die Meere als dauerhafte Lagerstätte für „überschüssiges“ CO₂ zu nutzen, um so dessen klimaschädigende Wirkung zu umgehen und den Treibhauseffekt zu bremsen. Die Verklappung von Kohlendioxid in der Wassersäule ist zwar durch das Londoner Protokoll und das OSPAR-Abkommen verboten, die Einbringung von CO₂ in tiefe Bodenschichten der Tiefsee ist jedoch erlaubt. Es ist davon auszugehen, dass die Anwendung derartiger Verfahren mit erheblichen Risiken einhergeht. Sollte es zu unvorhergesehenen Austritten großer Mengen Kohlendioxids kommen, so sind schwerwiegenden Folgen für die Meeresumwelt, wie beispielsweise die Veränderung des pH-Wertes und die Beeinträchtigung wichtiger, mikrobieller Tiefseegemeinschaften, vorprogrammiert. Durch die Einleitung von CO₂ können zudem andere Schadstoffe freigesetzt werden, die bereits im Meeresboden abgelagert sind.