Biodegradação: ocorre quando a maioria dos óleos crus não afundam sozinhos na água do mar devido à sua densidade ser menor que a da água. Por isso é necessária a união com outras partículas para que o petróleo sedimente. Uma vez sedimentado, os processos de degradação do óleo são drasticamente reduzidos. Este processo é intensificado nas primeiras quatro semanas que seguem o derramamento. Os componentes mais pesados do petróleo são adsorvidos por partículas inorgânicas, podendo aderir também a sólidos flutuantes, tendendo a sofrer sedimentação no fundo marinho.

Dissolução: passagem de parte dos hidrocarbonetos ao estado de solução com a coluna d’água. A taxa com a qual isso ocorre depende de alguns fatores, como composição do óleo, espalhamento da mancha, temperatura e turbulência da água e da taxa de dispersão. Componentes pesados do óleo cru não se solubilizam, ao passo que os mais leves (como benzeno e tolueno) têm maior solubilidade (cerca de 5 ppm) em água. Este processo é iniciado logo após o derrame e se perpetua ao longo do tempo, uma vez que oxidação e biodegradação são fenômenos físico-químicos que ocorrem com o petróleo quando derramado na água.

Dispersão vertical: processo físico em que as gotículas de óleo são transportadas a partir da superfície do mar para a coluna de água, sobretudo devido à rebentação das ondas; isso ocorre quando toda a pluma ou parte dela é quebrada, formando essas gotículas que, por sua vez, podem ter dimensões variáveis, sendo que as menores não voltam à superfície devido à turbulência natural da água, difundindo-se na coluna de água. A taxa da dispersão natural depende do tipo de óleo e da ação das ondas, sendo maior para óleos de baixa viscosidade e em ambiente de quebra de ondas.

Espalhamento: é um dos processos mais relevantes nos primeiros momentos após um derrame. É determinado pelas condições climáticas e oceânicas, assim como por outros processos como evaporação, dissolução, dependendo, também, do tipo de óleo derramado. O espalhamento determina a extensão em área da superfície da mancha, sendo resultado da difusão turbulenta e do balanço entre as forças de gravidade, inércia, viscosidade e tensão superficial. O grau de espalhamento é primordial para planejamento e eficácia de estratégias de resposta a derrames, pois, quanto maior o grau de espalhamento, maior a dificuldade de contenção para posterior recolhimento do óleo.

Evaporação: processo de mudança de fase de líquido para vapor das substâncias mais leves ou mais voláteis do petróleo, quando elas sedimentam na superfície da água. Esse processo deixa no ambiente aquático os componentes mais pesados do óleo, que sofrerão outros processos de envelhecimento ou decantarão rumo ao substrato oceânico. Produtos refinados, como gasolina e querosene, tendem a evaporar em poucas horas, causando um dano mínimo ao ambiente aquático. Óleos pesados e óleos vegetais deixam resíduos mais espessos e viscosos. Esses tipos de óleo possuem menor tendência à evaporação. Dependendo das condições do óleo, do derrame, do clima e do oceano e do tempo considerado, uma porcentagem relevante do óleo derramado pode ser retirada do ambiente aquático por evaporação.