La mer Noire est un bassin marin profond et relativement homogène, avec des côtes très étendues et pratiquement pas d'îles. Il occupe une superficie de 423 000 km2 et a une profondeur moyenne de 1 197 m. La partie occidentale comporte un large plateau qui se rétrécit progressivement vers le sud. La rupture entre le plateau et le talus continental se produit à une profondeur de 100–150 m. Le reste du littoral de la mer Noire est complètement dépourvu de plateau ou, quand celui-ci existe, sa largeur ne dépasse pas 10–15 km. Le détroit du Bosphore, dont la profondeur maximum est de 27,5 m, relie la mer Noire à la mer de Marmara et, au-delà, aux Dardanelles et à la Méditerranée. Le détroit de Kerche, qui n'a que 5 m de profondeur, relie la mer Noire à la mer d'Azov.
Les couches profondes et salées (36‰) de la mer de Marmara pénètrent dans la mer Noire et les eaux superficielles de la mer Noire s'écoulent dans la mer de Marmara. On estime que le courant inférieur transporte 202 km3 d'eau par an et que le courant supérieur en transporte 348 km3.
Quelques grands réseaux hydrographiques déversent plus de 400 km3 d'eau chaque année dans la mer Noire. Ces cours d'eau subissent cependant d'importantes variations saisonnières de débit qui, à leur tour, créent de grandes variations saisonnières dans les estuaires. Le Danube pénètre dans la mer Noire par trois bras, (Chilia, Sulina et St. George) qui forment un delta. Celui-ci occupe une superficie d'environ 4 340 km2.
Vu le grand nombre de rivières importantes qui débouchent dans la mer Noire, les eaux superficielles sont peu salées. La salinité moyenne des eaux superficielles dans la partie centrale de la mer Noire est de 16 à 18‰. Au-delà de 120–200 m de profondeur, la salinité augmente et passe à 21–22,5‰. En été, les eaux superficielles atteignent une température de 25°C, avec parfois des points de 28°C sur les rivages. En hiver, en pleine mer, la température tombe à 6–8°C. La côte nord-ouest gèle en hiver; la côte sud-est reste autour de 9°C.
L'isolement relatif et le resserrement de la mer Noire empêchent qu'il n'y ait une circulation verticale importante et les eaux profondes restent pauvres en oxygène. En conséquence, les débris organiques qui descendent des couches superficielles subissent une décomposition anaérobie qui entraîne la formation d'hydrogène sulfuré (H2S), particulièrement abondant au-delà de 180 mètres. A des profondeurs supérieures à 137 m, l'oxygène est pratiquement absent et la seule vie marine est constituée de bactéries anaérobies. Les couches supérieures sont très différentes et jusqu'à 50 m l'oxygène y est abondant. La circulation est de type cyclonique avec des tourbillons au large des côtes bulgares.
L'action des marées au cours de la journée est très peu sensible, de 8 à 9 cm seulement. Toutefois, le niveau de l'eau dans la mer Noire est sujet à des fluctuations saisonnières de 20 cm en moyenne. Sur les côtes, en particulier dans le nord-ouest, le vent peut soulever des vagues atteignant 7 m de hauteur. Sur le littoral sud-est, les vagues soulevées par le vent atteindraient 2 m.
Etant donné la faible salinité de l'eau, la faune et la flore de la mer Noire sont qualitativement pauvres comparées à celles de la Méditerranée. Celle-ci en effet contient quelque 7 000 plantes et animaux, tandis que la mer Noire n'en a que 1 200 environ. En revanche, la productivité primaire, basée sur les nutriments provenant des grands cours d'eau, y est relativement forte. La productivité potentielle effective de phytoplancton dans les eaux superficielles de la mer Noire a été estimée à 106–1 330 mg/m3/24 heures; en Méditerranée, elle n'est que de 7–157 mg/m3/24 heures. Le phytoplancton comprend quelque 300 espèces, largement répandues dans la mer libre jusqu'à une profondeur de 100–125 mètres. Près du rivage, elles descendent jusqu'à 200 mètres. La biomasse phytoplanctonique est en moyenne de 0,1 g/m3 environ, constitutée à 79 pour cent de diatomées. La densité du zooplancton est aussi relativement élevée. Le zooplancton comprend plus de 70 espèces et sa biomasse en mer libre est d'environ 0,3 g/m3 en moyenne.
Le zoobenthos est presque entièrement limité à la zone littorale. Le manque d'oxygène et la présence de H2S empêchent le développement d'animaux benthiques dans les eaux plus profondes. Au-delà de 50 m, la forme la plus courante de vie benthique est représentée par le pélécypode Modiolus phaseolina. Au-delà de 130–180 m la seule forme de benthos est bactérienne.
