Da der Ozean von fast allen Orten auf dem Festland flussabwärts liegt, nimmt er einen Großteil des an Land erzeugten Plastikmülls auf. Mehrere Millionen Tonnen Müll landen jedes Jahr in den Weltmeeren, und ein Großteil davon ist unsachgemäß entsorgter Plastikmüll. Die erste ozeanografische Studie, die die Menge des oberflächennahen Plastikmülls in den Weltmeeren untersuchte, wurde 2014 veröffentlicht. Sie schätzte, dass mindestens 5,25 Billionen einzelne Plastikpartikel mit einem Gewicht von rund 244.000 Tonnen (269.000 Tonnen) auf oder nahe der Oberfläche schwimmen. Die Verschmutzung der Ozeane durch Plastik wurde erstmals von Wissenschaftlern bemerkt, die Ende der 1960er und Anfang der 1970er Jahre Planktonuntersuchungen durchführten, und noch immer gilt die meiste Aufmerksamkeit derjenigen, die sich mit der Plastikverschmutzung befassen und daran arbeiten, sie zu verringern, den Ozeanen und Stränden. Es hat sich gezeigt, dass sich schwimmender Plastikmüll in fünf subtropischen Wirbeln ansammelt, die 40 Prozent der Weltmeere bedecken. Zu diesen Wirbeln, die sich in den mittleren Breiten der Erde befinden, gehören die Subtropischen Wirbel des Nord- und Südpazifiks, deren östliche „Müllflecken“ (Zonen mit hohen Konzentrationen von Plastikmüll, die nahe der Meeresoberfläche zirkulieren) die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern und Medien auf sich gezogen haben. Die anderen Wirbel sind der Subtropische Wirbel des Nord- und Südatlantiks und der Subtropische Wirbel des Indischen Ozeans.
Im Meer kann die Plastikverschmutzung Meeressäuger direkt töten, indem sie sich in Gegenständen wie Fanggeräten verfangen, aber auch durch Verschlucken, wenn sie fälschlicherweise für Nahrung gehalten werden. Studien haben ergeben, dass alle Arten von Arten, einschließlich kleinem Zooplankton, großen Walen, den meisten Seevögeln und allen Meeresschildkröten, gerne Plastikteile und Müllgegenstände wie Feuerzeuge, Plastiktüten und Flaschendeckel zu sich nehmen. Sonnenlicht und Meerwasser verspröden Plastik, und der Zerfall größerer Objekte in Mikroplastik macht Plastik für Zooplankton und andere kleine Meerestiere verfügbar. Solche kleinen Plastikteile, die weniger als 5 mm lang sind, machen einen beträchtlichen Teil des Plastikmülls in den Ozeanen aus. Bis 2018 wurde Mikroplastik in den Organen von mehr als 114 Wasserlebewesen gefunden, darunter einige Arten, die nur in den tiefsten Meeresgräben vorkommen. Bis zum Jahr 2020 schätzten Wissenschaftler, dass mindestens 14 Millionen Tonnen (15,4 Millionen kurze Tonnen) Mikroplastikpartikel auf dem Meeresboden ruhten, und andere Forschungen ergaben, dass die Bewegung von Tiefseeströmungen „Hot Spots“ mit Mikroplastik in Teilen der Ozeane schuf, wie zum Beispiel einen im Tyrrhenischen Meer, der fast zwei Millionen Mikroplastikteile pro Quadratmeter enthielt (etwa 186.000 Teile pro Quadratfuß).
Es hat sich gezeigt, dass Kunststoffe nicht nur nicht nahrhaft und unverdaulich sind, sondern auch Schadstoffe bis zum Millionenfachen ihres Gehalts im umgebenden Meerwasser anreichern und sie dann an die Arten abgeben, die sie aufnehmen. In einer Studie wurde nachgewiesen, dass der Gehalt an polychlorierten Biphenylen (PCB), einem inzwischen weithin verbotenen Schmier- und Isolierstoff, im Drüsenöl von gestreiften Sturmtauchern (Calonectris leucomelas) signifikant anstieg, nachdem diese Seevögel nur eine Woche lang mit Plastikkügelchen aus der Bucht von Tokio gefüttert worden waren.
Es gibt auch terrestrische Aspekte der Plastikverschmutzung. Abwassersysteme werden durch Plastiktüten, Folien und andere Gegenstände verstopft, was zu Überschwemmungen führt. Bei Landvögeln, wie dem wieder angesiedelten kalifornischen Kondor, wurde Plastik im Magen gefunden, und bei Tieren, die sich normalerweise von Müllhalden ernähren, wie z. B. den heiligen Kühen in Indien, wurde eine Verstopfung des Darms durch Plastikverpackungen festgestellt. Die Masse von Kunststoffen ist nicht größer als die anderer Hauptbestandteile von Abfällen, aber sie nehmen ein unverhältnismäßig großes Volumen ein. Da sich die Mülldeponien in Wohngebieten ausdehnen, leben die armen Aasfresser oft in der Nähe oder sogar auf den Haufen der Kunststoffreste.