Các đại dương vẫn còn tương đối ấm trong thế Pliocen, mặc dù chúng vẫn tiếp tục lạnh đi. Chỏm băng Bắc cực đã hình thành, tiếp tục làm khí hậu khô hơn và làm tăng quá trình lạnh đi của các dòng hải lưu nông ở Bắc Đại Tây Dương. Các hải lưu lạnh sâu phía dưới chảy ra từ Nam cực.

Sự hình thành của eo đất Panama khoảng 3,5 triệu năm trước chia cắt dấu tích cuối cùng của cái đã từng là hải lưu vòng xích đạo tồn tại từ kỷ Phấn Trắng và đầu đại Tân Sinh. Điều này có thể đã góp phần vào quá trình lạnh đi của các đại dương trên toàn cầu.

Trong lòng biển của thế Pliocen sinh sống các loài lợn biển, hải cẩu và sư tử biển.