Desde que o oceano está a jusante de quase todos os locais terrestres, ele é o corpo receptor de grande parte dos resíduos plásticos gerados em terra. Vários milhões de toneladas de lixo acabam nos oceanos do mundo a cada ano, e grande parte dele é descartado de forma inadequada. O primeiro estudo oceanográfico a examinar a quantidade de lixo plástico quase à superfície nos oceanos do mundo foi publicado em 2014. Estimou-se que pelo menos 5,25 trilhões de partículas individuais de plástico pesando aproximadamente 244.000 toneladas (269.000 toneladas) estavam flutuando na superfície ou perto dela. A poluição plástica foi notada pela primeira vez no oceano por cientistas que realizaram estudos de plâncton no final dos anos 60 e início dos anos 70, e os oceanos e praias ainda recebem a maior parte da atenção dos que estudam e trabalham para reduzir a poluição plástica. Os resíduos plásticos flutuantes têm se acumulado em cinco giros subtropicais que cobrem 40% dos oceanos do mundo. Situados nas midlatitudes da Terra, esses giros incluem os Giros Subtropicais do Pacífico Norte e Sul, cujas “manchas de lixo” orientais (zonas com altas concentrações de resíduos plásticos circulando perto da superfície do oceano) têm atraído a atenção dos cientistas e da mídia. Os outros giros são os Giros Subtropicais do Atlântico Norte e Sul e o Giro Subtropical do Oceano Índico.
No oceano, a poluição plástica pode matar mamíferos marinhos diretamente através do enredamento em objetos como artes de pesca, mas também pode matar através da ingestão, por ser confundida com comida. Estudos têm descoberto que todos os tipos de espécies, incluindo pequenos zooplâncton, grandes cetáceos, a maioria das aves marinhas, e todas as tartarugas marinhas, ingerem prontamente pedaços de plástico e itens de lixo como isqueiros, sacos de plástico e tampas de garrafas. A luz solar e a água do mar incorporam plástico, e a eventual decomposição de objectos maiores em microplásticos torna o plástico disponível para o zooplâncton e outros pequenos animais marinhos. Esses pequenos pedaços de plástico, que têm menos de 5 mm de comprimento, compõem uma fração considerável dos resíduos plásticos nos oceanos. Até 2018, foram encontrados microplásticos nos órgãos de mais de 114 espécies aquáticas, incluindo algumas espécies encontradas apenas nas trincheiras mais profundas dos oceanos. Até 2020, os cientistas haviam estimado que pelo menos 14 milhões de toneladas métricas (15,4 milhões de toneladas curtas) de partículas microplásticas estavam descansando no fundo do oceano, e outras pesquisas haviam revelado que o movimento das correntes do mar profundo estava criando “pontos quentes” microplásticos em partes dos oceanos, como uma localizada no Mar Tirreno que continha quase dois milhões de peças microplásticas por metro quadrado (cerca de 186.000 peças por pé quadrado).
Além de não ser nutritivo e indigesto, os plásticos têm demonstrado concentrar poluentes até um milhão de vezes o seu nível na água do mar circundante e, em seguida, entregá-los às espécies que os ingerem. Em um estudo, os níveis de bifenil policlorado (PCB), um lubrificante e material isolante que agora é amplamente proibido, mostraram ter aumentado significativamente no óleo de glândula pré-envelo de cisalhamento estriado (Calonectris leucomelas) após estas aves marinhas terem sido alimentadas com pelotas plásticas abatidas da Baía de Tóquio por apenas uma semana.
Existem também aspectos terrestres da poluição plástica. Os sistemas de drenagem ficam entupidos com sacos plásticos, filmes e outros itens, causando enchentes. Aves terrestres, como o condor californiano reintroduzido, foram encontradas com plástico em seus estômagos, e animais que normalmente se alimentam em lixeiras – por exemplo, as vacas sagradas da Índia – tiveram bloqueios intestinais de embalagens plásticas. A massa de plástico não é maior que a de outros componentes principais dos resíduos, mas ocupa um volume desproporcionalmente grande. À medida que as lixeiras se expandem em áreas residenciais, os pobres necrófagos são frequentemente encontrados vivendo perto ou mesmo em pilhas de plásticos residuais.