Mivel az óceán szinte minden szárazföldi helytől lefelé halad, a szárazföldön keletkező műanyaghulladék nagy részének befogadója. Évente több millió tonna hulladék kerül a világ óceánjaiba, és ennek nagy része helytelenül kidobott műanyagszemét. Az első oceanográfiai tanulmány, amely a világ óceánjaiban található felszínközeli műanyagszemét mennyiségét vizsgálta, 2014-ben jelent meg. Becslése szerint legalább 5,25 billió, nagyjából 244 000 tonna (269 000 tonna) súlyú egyedi műanyagrészecske lebeg a felszínen vagy a felszín közelében. A műanyagszennyezésre először az 1960-as évek végén és az 1970-es évek elején planktonvizsgálatokat végző tudósok figyeltek fel az óceánokban, és az óceánok és a tengerpartok még mindig a legtöbb figyelmet kapják a műanyagszennyezést tanulmányozók és a műanyagszennyezés visszaszorításán dolgozók részéről. Kimutatták, hogy a lebegő műanyaghulladék öt szubtrópusi örvényben halmozódik fel, amelyek a világ óceánjainak 40 százalékát borítják. Ezek közé a Föld középső szélességi körök közé tartozik az észak- és dél-csendes-óceáni szubtrópusi örvény, amelyek keleti “szemétfoltjai” (az óceán felszíne közelében nagy koncentrációban keringő műanyaghulladékot tartalmazó zónák) felkeltették a tudósok és a média figyelmét. A többi giroszt az észak- és dél-atlanti szubtrópusi girosz és az Indiai-óceáni szubtrópusi girosz.
Az óceánban a műanyagszennyezés közvetlenül megölheti a tengeri emlősöket a tárgyakba, például halászeszközökbe való belegabalyodás révén, de a lenyelés révén is ölhet, ha tápláléknak hiszik. Tanulmányok megállapították, hogy mindenféle faj, beleértve a kis zooplanktont, a nagytestű cetféléket, a legtöbb tengeri madarat és az összes tengeri teknőst, szívesen lenyel műanyagdarabokat és szemetet, például öngyújtókat, műanyag zacskókat és palackkupakokat. A napfény és a tengervíz megmorzsolja a műanyagot, és a nagyobb tárgyak mikroműanyagokká történő lebomlása révén a műanyag elérhetővé válik a zooplankton és más kis tengeri állatok számára. Az ilyen apró, 5 mm-nél (0,2 hüvelyknél) kisebb műanyagdarabok teszik ki az óceánokban található műanyaghulladék jelentős részét. 2018-ra több mint 114 vízi faj szerveiben találtak mikroműanyagokat, köztük olyan fajokat is, amelyek csak a legmélyebb óceáni árkokban élnek. 2020-ra a tudósok becslései szerint legalább 14 millió tonna (15,4 millió rövid tonna) mikroműanyag-részecske pihent az óceán fenekén, más kutatások pedig kimutatták, hogy a mélytengeri áramlatok mozgása mikroműanyag-“forró pontokat” hoz létre az óceánok egyes részein, például a Tirrén-tengerben található egyikben, amely négyzetméterenként közel kétmillió mikroműanyagdarabot tartalmazott (körülbelül 186 000 darabot négyzetlábanként).
Amellett, hogy a műanyagok nem táplálóak és emészthetetlenek, kimutatták, hogy a szennyezőanyagokat a környező tengervízben lévő szintjük milliószorosára koncentrálják, majd eljuttatják azokat az őket lenyelő fajokhoz. Egy tanulmányban kimutatták, hogy a poliklórozott bifenil (PCB) – egy kenő- és szigetelőanyag, amelyet ma már széles körben betiltottak – szintje jelentősen megnövekedett a csíkos gébicsmadarak (Calonectris leucomelas) előmirigy-olajában, miután ezek a tengeri madarak mindössze egy héten keresztül a Tokiói-öbölből származó műanyag pelletekkel táplálkoztak.
A műanyagszennyezésnek szárazföldi vonatkozásai is vannak. A vízelvezető rendszerek eltömődnek a műanyag zacskókkal, fóliákkal és egyéb tárgyakkal, ami árvizeket okoz. Szárazföldi madarak, például a visszatelepített kaliforniai kondor gyomrában műanyagot találtak, és olyan állatoknál, amelyek általában szeméttelepeken táplálkoznak – például az indiai szent teheneknél -, a műanyag csomagolások miatt bélelzáródások alakultak ki. A műanyag tömege nem nagyobb, mint a hulladék más fő összetevőinek tömege, de aránytalanul nagy térfogatot foglal el. Ahogy a szeméttelepek a lakott területeken terjeszkednek, a guberáló szegényeket gyakran találják a műanyagmaradványok közelében vagy akár azokon élve.