（1）擴散。重力、慣性力、摩擦力和表麵張力的作用下，入海的時候首先在海洋表麵迅速擴展成薄膜，然後在風浪和海流的作用下，被分割成很多塊狀或帶狀油膜，隨風飄移擴散。消除局部海域石油汙染的主要過程就是擴散。而影響油在海麵漂移的最主要因素是風，在風力的作用下，石油的擴散速度非常快。通過觀察發現，中國山東半島沿岸發現的漂油，冬季主要在半島北岸，而春季主要在半島南岸，之所以產生這樣的不同與風有著密切的關係。另外，石油自身的成分也對其擴散起到了加速作用，如氮、硫、氧等非烴組分都是表麵活性劑。
（2）蒸發。在石油在擴散和漂移的過程中，輕組分通過蒸發逸入大氣，此時蒸發的速度會隨分子量、沸點、油膜表麵積、厚度和海況的不同而不同。其實蒸發可以消耗掉進入海中的不少石油。
（3）氧化。在光和微量元素的催化下，海麵油膜發生自氧化和光化學氧化反應，氧化是石油化學降解的主要途徑，氧化的速度是由石油烴的化學特性決定的。在石油入海之後的很多天之內，擴散、蒸發和氧化過程都會對水體石油的消失有著非常重要的作用，因為它們使石油的擴散速率比自然分解速率高很多。
（4）溶解。從石油的化學成分看，低分子烴和有些極性化合物還會溶入海水中。正鏈烷在水中的溶解度與其分子量成反比，芳烴的溶解度大於鏈烷。雖然溶解作用和蒸發作用都屬於低分子烴的效應，然而它們對水環境卻有不同的影響。石油烴溶於海水中，如果被海洋生物吸收，人們再食用它們，必然會產生非常惡劣的影響。
（5）乳化。石油入海後，由於海流、渦流、潮汐和風浪的攪動，所以容易發生乳化作用。乳化包括油包水乳化和水包油乳化，油包水乳化較穩定，常聚成外觀像冰淇淋狀的塊或球，較長期在水麵上漂浮；水包油乳化較不穩定且易消失。在油溢後，如使用分散劑有助於水包油乳化的形成，不僅加速海麵油汙的去除，同時也加速生物對石油的吸收。
（6）沉積。海麵的石油經過蒸發和溶解後，形成致密的分散離子，聚合成瀝青塊，或吸附於其他顆粒物上，要麼沉降於海底，要麼漂浮上海灘。沉入海底的石油或石油氧化產物，在海流和海浪的作用下，還可再上浮到海麵，最終造成二次汙染。
（7）海洋生物對石油烴的降解和吸收。在降解石油烴方麵，微生物起著重要的作用，烴類氧化菌廣泛分布於海水和海底泥中。另外，海洋植物、海洋動物也能降解一些石油烴。浮遊海藻和定生海藻可直接從海水中吸收或吸附溶解的石油烴類。海洋動物會攝食吸附有石油的顆粒物質，溶於水中的石油可通過消化道或鰓進入它們的體內。因為石油烴是脂溶性的，所以，一般情況下，海洋生物體內石油烴的含量會隨著脂肪的含量增大而逐步增高。在清潔的海水中，如果海洋動物吸食了石油可以比較快地排出。但是如果是在被汙染的水中則需要人類進一步的努力。
石油泄入海後，從海中消失的速度及影響的範圍，依入海的地點、油的數量和特性、油的回收和消油方法、海洋環境的因素等方麵都會有很大的不同。如果水溫較大可以加快石油的消失速度。但是如果石油是滲入到沉積物中則需要漫長的過程。
石油汙染對浮遊植物的危害
浮遊植物是生活在水體中沒有遊泳能力或運動能力微弱，隻能隨波逐流被動地漂浮的生物群體。浮遊植物個體小，生命周期短，數量多，分布廣，是海洋生產力的基礎，也是海洋生態係統物質循環和能量流動最主要的環節之一。當油汙覆蓋住海麵，遮住了陽光，浮遊植物就不能進行光合作用，逐漸死去，也會斷絕了魚蝦們的食物。
2002年11月23日，滿載原油的馬耳他籍油輪“塔斯曼海”輪與中國大連“順凱一號”輪在天津大沽錨地東部海域發生碰撞，造成大量原油泄漏，“塔斯曼海”輪原油泄漏給渤海灣海洋生態環境造成了嚴重破壞，後果相當嚴重。
采用國家海洋局北海監測中心2001年11月在該海域海洋生物監測作為背景值進行比較，將背景值與溢油後（事故後一周）海洋生物檢測值進行比較，溢油後浮遊植物的種類數目減少了16種，平均細胞數量減少了42.3%，優勢種明顯減少。而比較溢油前後兩次初級生產力的調查結果可知，溢油前後浮遊植物的優勢種發生了改變，溢油後初級生產力較本底值也明顯偏低，與浮遊植物數量和種類大量減少相一致，因此由於溢油事故對浮遊植物種類與數量產生了影響，從而也影響了該海域的初級生產力。
石油還能妨礙海藻幼苗的光合作用。濃度為千分之一的柴油乳化液三天內就能幾乎完全阻止海藻幼苗的光合作用，而燃料油對海藻幼苗的毒性更大。如日本東京灣，一艘油輪在裝貨時漏出2.5噸燃料油，使當地養殖的紫菜歉收。日本海上保安廳對此事進行了專門調查，證明損失是該油輪造成的。