Då havet ligger nedströms från nästan alla platser på jorden är det mottagande organ för mycket av det plastavfall som genereras på land. Flera miljoner ton skräp hamnar i världshaven varje år, och mycket av det är felaktigt kastat plastavfall. Den första oceanografiska studien för att undersöka mängden plastskräp nära ytan i världshaven publicerades 2014. Den uppskattade att minst 5,25 biljoner enskilda plastpartiklar med en vikt på omkring 244 000 ton (269 000 ton) flöt på eller nära ytan. Plastföroreningar uppmärksammades först i havet av forskare som utförde planktonstudier i slutet av 1960-talet och början av 1970-talet, och haven och stränderna får fortfarande den största uppmärksamheten av dem som studerar och arbetar för att minska plastföroreningarna. Flytande plastavfall har visat sig ansamlas i fem subtropiska gyres som täcker 40 procent av världshaven. Dessa gyres, som ligger på jordens mellersta breddgrader, omfattar de subtropiska gyres i norra och södra Stilla havet, vars östra ”skräpfläckar” (zoner med höga koncentrationer av plastavfall som cirkulerar nära havsytan) har väckt forskarnas och mediernas uppmärksamhet. De andra gyrorna är de nord- och sydatlantiska subtropiska gyrorna och den subtropiska gyran i Indiska oceanen.
I havet kan plastföroreningar döda marina däggdjur direkt genom att de trasslar in sig i föremål som fiskeredskap, men de kan också döda genom förtäring, genom att misstas för mat. Studier har visat att alla typer av arter, inklusive små zooplankton, stora valar, de flesta sjöfåglar och alla havssköldpaddor, lätt får i sig plastbitar och skräp som tändare, plastpåsar och flaskkapslar. Solljus och havsvatten gör plasten spröd, och den eventuella nedbrytningen av större föremål till mikroplaster gör plasten tillgänglig för zooplankton och andra små havsdjur. Sådana små plastbitar, som är mindre än 5 mm långa, utgör en betydande del av plastavfallet i haven. År 2018 hade mikroplaster hittats i organ hos mer än 114 vattenlevande arter, inklusive vissa arter som endast finns i de djupaste havsgravarna. År 2020 hade forskarna uppskattat att minst 14 miljoner metriska ton (15,4 miljoner korta ton) mikroplastpartiklar vilade på havets botten, och annan forskning hade avslöjat att djuphavsströmmarnas rörelser skapade mikroplast-”hot spots” i vissa delar av haven, t.ex. en i Tyrrenska havet som innehöll nästan två miljoner mikroplastbitar per kvadratmeter (cirka 186 000 bitar per kvadratfot).
Förutom att plast inte är näringsfri och osmältbar har det visat sig att den koncentrerar föroreningar upp till en miljon gånger mer än deras nivå i det omgivande havsvattnet och sedan levererar dem till de arter som får i sig dem. I en studie visade det sig att nivåerna av polyklorerade bifenyler (PCB), ett smörjmedel och isoleringsmaterial som nu är allmänt förbjudet, hade ökat avsevärt i oljan i preenkörteln hos sträckta skräntärnor (Calonectris leucomelas) efter det att dessa sjöfåglar hade matats med plastpellets från Tokyobukten i bara en vecka.
Det finns även terrestra aspekter på plastföroreningar. Avloppssystemen täpps till av plastpåsar, plastfilmer och andra föremål, vilket orsakar översvämningar. Landfåglar, t.ex. den återinförda kaliforniska kondoren, har hittats med plast i magen, och djur som normalt äter på soptippar – t.ex. de heliga korna i Indien – har fått tarmblockeringar på grund av plastförpackningar. Plastmassan är inte större än andra viktiga avfallskomponenter, men den tar upp en oproportionerligt stor volym. I takt med att soptippar växer i bostadsområden finner man ofta fattiga asätare som lever i närheten av eller till och med på högar av plastrester.