Dado que el océano se encuentra aguas abajo de casi todos los lugares terrestres, es el cuerpo receptor de gran parte de los residuos plásticos generados en tierra. Varios millones de toneladas de desechos acaban en los océanos del mundo cada año, y gran parte de ellos son residuos plásticos desechados de forma inadecuada. El primer estudio oceanográfico que examinó la cantidad de residuos plásticos cerca de la superficie en los océanos del mundo se publicó en 2014. En él se estimó que al menos 5,25 billones de partículas de plástico individuales con un peso aproximado de 244.000 toneladas (269.000 toneladas) estaban flotando en la superficie o cerca de ella. La contaminación por plástico fue advertida por primera vez en el océano por científicos que realizaban estudios sobre el plancton a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, y los océanos y las playas siguen recibiendo la mayor parte de la atención de quienes estudian y trabajan para reducir la contaminación por plástico. Se ha demostrado que los residuos plásticos flotantes se acumulan en cinco giros subtropicales que cubren el 40% de los océanos del mundo. Situados en las latitudes medias de la Tierra, estos giros incluyen los giros subtropicales del Pacífico Norte y Sur, cuyas «manchas de basura» orientales (zonas con altas concentraciones de residuos plásticos que circulan cerca de la superficie del océano) han acaparado la atención de los científicos y los medios de comunicación. Los otros giros son los Giros Subtropicales del Atlántico Norte y Sur y el Giro Subtropical del Océano Índico.
En el océano, la contaminación por plásticos puede matar a los mamíferos marinos directamente al enredarse en objetos como las artes de pesca, pero también puede matar a través de la ingestión, al ser confundidos con comida. Los estudios han descubierto que todo tipo de especies, incluido el pequeño zooplancton, los grandes cetáceos, la mayoría de las aves marinas y todas las tortugas marinas, ingieren fácilmente trozos de plástico y elementos de basura como encendedores, bolsas de plástico y tapones de botellas. La luz del sol y el agua del mar resquebrajan el plástico, y la eventual descomposición de los objetos más grandes en microplásticos pone el plástico a disposición del zooplancton y otros pequeños animales marinos. Estos pequeños trozos de plástico, de menos de 5 mm (0,2 pulgadas) de longitud, constituyen una fracción considerable de los residuos de plástico en los océanos. En 2018, se habían encontrado microplásticos en los órganos de más de 114 especies acuáticas, incluidas algunas especies que solo se encuentran en las fosas oceánicas más profundas. En 2020, los científicos habían calculado que al menos 14 millones de toneladas métricas (15,4 millones de toneladas cortas) de partículas microplásticas descansaban en el fondo del océano, y otras investigaciones habían revelado que el movimiento de las corrientes marinas profundas estaba creando «puntos calientes» de microplásticos en partes de los océanos, como uno situado en el mar Tirreno que contenía casi dos millones de piezas de microplástico por metro cuadrado (unas 186.000 piezas por pie cuadrado).
Además de no ser nutritivos ni digeribles, se ha demostrado que los plásticos concentran los contaminantes hasta un millón de veces su nivel en el agua de mar circundante y luego los entregan a las especies que los ingieren. En un estudio, se demostró que los niveles de bifenilo policlorado (PCB), un lubricante y material aislante que ahora está ampliamente prohibido, habían aumentado significativamente en el aceite de la glándula de preen de las pardelas rayadas (Calonectris leucomelas) después de que estas aves marinas hubieran sido alimentadas con gránulos de plástico extraídos de la Bahía de Tokio durante sólo una semana.
La contaminación por plástico también tiene aspectos terrestres. Los sistemas de drenaje se obstruyen con bolsas de plástico, películas y otros artículos, provocando inundaciones. Se han encontrado aves terrestres, como el reintroducido cóndor de California, con plástico en sus estómagos, y animales que normalmente se alimentan en los vertederos -por ejemplo, las vacas sagradas de la India- han sufrido obstrucciones intestinales a causa de los envases de plástico. La masa de plástico no es mayor que la de otros componentes importantes de los residuos, pero ocupa un volumen desproporcionadamente grande. A medida que los vertederos se expanden en las zonas residenciales, los pobres que hurgan en la basura suelen vivir cerca o incluso sobre montones de plásticos residuales.