Omdat de oceaan zich stroomafwaarts van bijna elke locatie op het land bevindt, is het de ontvangende instantie voor een groot deel van het plastic afval dat op het land wordt geproduceerd. Elk jaar komen miljoenen tonnen afval in de wereldzeeën terecht, waarvan een groot deel bestaat uit verkeerd weggegooid plastic afval. In 2014 werd de eerste oceanografische studie gepubliceerd waarin de hoeveelheid plastic afval aan de oppervlakte in de wereldzeeën werd onderzocht. Daarin werd geschat dat ten minste 5,25 biljoen afzonderlijke plastic deeltjes met een gewicht van ruwweg 244.000 ton (269.000 ton) aan of nabij het oppervlak dreven. Plasticvervuiling werd voor het eerst opgemerkt in de oceaan door wetenschappers die eind jaren zestig en begin jaren zeventig planktonstudies uitvoerden, en oceanen en stranden krijgen nog steeds de meeste aandacht van degenen die plasticvervuiling bestuderen en er iets aan doen. Er is aangetoond dat drijvend plastic afval zich ophoopt in vijf subtropische gyres die 40 procent van de wereldzeeën bedekken. Tot deze gyres behoren de noordelijke en zuidelijke subtropische gyres in de Stille Oceaan, waarvan de oostelijke “garbage patches” (zones met hoge concentraties plastic afval die aan het oceaanoppervlak circuleren) de aandacht hebben getrokken van wetenschappers en de media. De andere gyres zijn de Noord- en Zuid-Atlantische subtropische Gyres en de Indische Oceaan Subtropische Gyre.
In de oceaan kan plastic vervuiling zeezoogdieren direct doden doordat ze verstrikt raken in voorwerpen zoals vistuig, maar het kan ook dodelijk zijn doordat ze het inslikken, doordat ze voor voedsel worden aangezien. Studies hebben aangetoond dat allerlei soorten, waaronder klein zoöplankton, grote walvisachtigen, de meeste zeevogels en alle zeeschildpadden, gemakkelijk plastic stukjes en afval zoals sigarettenaanstekers, plastic zakken en flessendoppen inslikken. Zonlicht en zeewater broossen plastic, en de uiteindelijke afbraak van grotere voorwerpen tot microplastics maakt plastic beschikbaar voor zoöplankton en andere kleine zeedieren. Dergelijke kleine stukjes plastic, die minder dan 5 mm lang zijn, vormen een aanzienlijk deel van het plastic afval in de oceanen. In 2018 waren microplastics aangetroffen in de organen van meer dan 114 aquatische soorten, waaronder enkele soorten die alleen in de diepste oceaangeulen voorkomen. Tegen 2020 hadden wetenschappers geschat dat ten minste 14 miljoen ton (15,4 miljoen korte ton) microplastic deeltjes op de bodem van de oceaan rustten, en ander onderzoek had aangetoond dat de beweging van diepzeestromingen microplastic “hot spots” creëerde in delen van de oceanen, zoals één gelegen in de Tyrreense Zee die bijna twee miljoen microplastic stukjes per vierkante meter bevatte (ongeveer 186.000 stukjes per vierkante voet).
Naast het feit dat plastic niet voedzaam en onverteerbaar is, is aangetoond dat het verontreinigende stoffen concentreert tot een miljoen keer hun niveau in het omringende zeewater en ze vervolgens afgeeft aan de soorten die ze inslikken. In één studie werd aangetoond dat het gehalte aan polychloorbifenyl (PCB), een smeer- en isolatiemiddel dat nu op grote schaal is verboden, aanzienlijk was toegenomen in de klierolie van gestreepte pijlstormvogels (Calonectris leucomelas) nadat deze zeevogels gedurende slechts één week waren gevoederd met uit de baai van Tokio geruimde plastic pellets.
Er zijn ook terrestrische aspecten aan plasticvervuiling. Afvoersystemen raken verstopt met plastic zakken, folies en andere voorwerpen, waardoor overstromingen ontstaan. Landvogels, zoals de opnieuw geïntroduceerde Californische condor, zijn aangetroffen met plastic in hun maag, en dieren die zich normaal voeden op vuilnisbelten – bijvoorbeeld de heilige koeien van India – hebben darmverstoppingen opgelopen door plastic verpakkingen. De massa van plastic is niet groter dan die van andere belangrijke bestanddelen van afval, maar het neemt een onevenredig groot volume in beslag. Naarmate de vuilstortplaatsen zich uitbreiden in woonwijken, leven de arme aaseters vaak in de buurt van of zelfs op stapels restplastics.