Чёрное море является крупнейшим в мире меромиктическим (с неперемешиваемыми уровнями воды) водоёмом. Верхний слой воды (миксолимнион), лежащий до глубины 150 м, более прохладный, менее плотный и менее солёный, насыщенный кислородом, отделяется от нижнего, более теплого, солёного и плотного, насыщенного сероводородом слоя (монимолимниона) хемоклином (пограничным слоем между аэробной и анаэробной зонами).

Единого общепризнанного объяснения происхождения сероводорода в Чёрном море пока нет. Есть мнение, что сероводород в Черном море образуется главным образом в результате жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, резко выраженной стратификации воды и слабого вертикального обмена. Также есть теория, что сероводород образовался в результате разложения пресноводных животных, погибших при проникновении соленых средиземноморских вод во время образования Босфора и Дарданелл.

Некоторые исследования последних лет позволяют говорить о Чёрном море как о гигантском резервуаре не только сероводорода, но и метана, выделяемого, скорее всего, также в процессе деятельности микрорганизмов, а также со дна моря.

Водный баланс Чёрного моря складывается из следующих компонент:

    * атмосферные осадки (230 км? в год);
    * материковый сток (310 км? в год);
    * поступление воды из Азовского моря (30 км? в год);
    * испарение воды с поверхности моря (-360 км? в год);
    * вынос воды через пролив Босфор (-210 км? в год).

Величина осадков, поступления из Азовского моря и речного стока превышает величину испарения с поверхности, вследствие чего уровень Чёрного моря превышает уровень Мраморного. Благодаря этому формируется верхнее течение, направленное из Чёрного моря через пролив Босфор. Нижнее течение, наблюдаемое в более низких слоях воды, выражено менее сильно и направлено через Босфор в обратном направлении. Взаимодействие данных течений дополнительно поддерживает вертикальную стратификацию моря, а также используется рыбой для миграций между морями.

Следует отметить тот факт, что вследствие затруднённого обмена водой с Атлантическим океаном в Чёрном море практически не бывает приливов и отливов.

Циркуляция вод в море охватывает только поверхностный слой воды. Данный слой воды имеет солёность около 18 промилле (в Средиземном — 37 промилле) и насыщен кислородом и иными элементами, необходимыми для деятельности живых организмов. Эти слои в Чёрном море подвержены круговой циркуляции в антициклонической направленности по всему периметру водоёма. Одновременно, в западной и восточной частях моря существуют циркуляции воды в циклоническом направлении. Температура поверхностных слоёв воды, в зависимости от времени года, колеблется от 8 до 30 °C.

Нижний слой, вследствие насыщенности сероводородом, не содержит живых организмов, за исключением ряда анаэробных серных бактерий (продуктом жизнедеятельности которых и является сероводород). Солёность здесь возрастает до 22-22,5 промилле, средняя температура составляет ~8,5°C.