Thay đổi nhiệt độ trung bình trên đất liền-đại dương trên toàn cầu từ năm 1880 đến năm 2011, so với mức trung bình 1951-1980

Hầu hết nhiệt tỏa ra từ hiện tượng nóng lên toàn cầu đi vào đại dương chứ không đi vào khí quyển hoặc làm ấm đất liền.[46] Hơn 30 năm trước, các nhà khoa học đã nhận ra rằng đại dương là dấu vết chính của tác động con người đối với biến đổi khí hậu và "cơ hội tốt nhất để cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về độ nhạy cảm với khí hậu có lẽ là theo dõi nhiệt độ bên trong đại dương".[47]

Các sinh vật biển đang di chuyển đến những vùng mát hơn của đại dương khi hiện tượng ấm lên toàn cầu diễn ra. Ví dụ, một nhóm 105 loài cá biển và động vật không xương sống đã được theo dõi dọc theo bờ biển Đông Bắc Hoa Kỳ và ở phía đông Biển Bering. Trong giai đoạn 1982-2015, trung tâm trung bình của sinh khối cho nhóm chuyển về phía bắc khoảng 10 dặm cũng di chuyển về 20 feet sâu hơn.[48][49]

Hầu hết nhiệt tỏa ra từ hiện tượng nóng lên toàn cầu đi vào đại dương Dữ liệu tích lũy nhiệt toàn cầu, từ Nuccitelli et al. (2012) [46][51]

Có bằng chứng cho thấy nhiệt độ ngày càng tăng của đại dương ảnh hưởng đến hệ sinh thái biển. Ví dụ, một nghiên cứu về sự thay đổi của thực vật phù du ở Ấn Độ Dương cho thấy sự suy giảm tới 20% thực vật phù du biển trong sáu thập kỷ qua.[52] Vào mùa hè, phía tây Ấn Độ Dương là một trong những nơi tập trung nhiều loài thực vật phù du biển nhất trên thế giới. Sự ấm lên ở Ấn Độ Dương làm tăng sự phân tầng đại dương, ngăn cản sự pha trộn chất dinh dưỡng trong vùng dải sáng rõ, nơi có nhiều ánh sáng để quang hợp. Do đó, sản xuất sơ cấp bị hạn chế và toàn bộ mạng lưới lương thực của khu vực bị gián đoạn. Nếu tình trạng ấm lên nhanh chóng tiếp tục diễn ra, Ấn Độ Dương có thể biến thành một sa mạc sinh thái và ngừng hoạt động.

• Sự ấm lên của đại dương đang thay đổi sự phân bố của các loài sinh vật mấu chốt ở Nam Cực [53][54]
• Ở Nam Cực, các loài sống ở vùng nước nông có phạm vi hạn chế như cá sấu đá ngọc lục bảo này đang bị đe dọa.

Dao động Nam Cực (còn được gọi là Chế độ hình khuyên Nam) là một vành đai gió Tây hoặc áp suất thấp bao quanh Nam Cực di chuyển về phía bắc hoặc nam tùy theo pha của nó.[55] Trong giai đoạn tích cực của nó, vành đai gió Tây thúc đẩy Dòng điện Mạch Cực Nam tăng cường và co lại về phía Nam Cực,[56] trong khi ở giai đoạn tiêu cực, vành đai di chuyển về phía Xích đạo. Gió gắn liền với sự dao động ở Nam Cực làm nước trồi, dọc theo thềm lục địa Nam Cực.[57][58] Điều này có liên quan đến sự tan chảy cơ bản của thềm băng,[59] đại diện cho một cơ chế do gió điều khiển có thể gây mất ổn định các phần lớn của Dải băng Nam Cực.[60] Dao động ở Nam Cực hiện đang trong giai đoạn cực dương nhất đã xảy ra trong hơn một nghìn năm. Gần đây, giai đoạn tích cực này tiếp tục tăng cường, và điều này được cho là do lượng khí nhà kính ngày càng tăng và sự suy giảm tầng ôzôn ở tầng bình lưu sau này.[61][62] Những thay đổi quy mô lớn này trong môi trường vật chất đang "thúc đẩy sự thay đổi qua tất cả các cấp của lưới thức ăn biển Nam Cực".[53][54] Sự ấm lên của đại dương cũng đang làm thay đổi sự phân bố của các loài nhuyễn thể ở Nam Cực. Loài nhuyễn thể Nam Cực là loài then chốt của hệ sinh thái Nam Cực ngoài thềm ven biển và là nguồn thức ăn quan trọng cho các loài chim và động vật có vú ở biển.[63]

IPCC (2019) cho biết các sinh vật biển đang bị ảnh hưởng trên toàn cầu do sự ấm lên của đại dương và tác động trực tiếp đến cộng đồng con người, nghề cá và sản xuất lương thực. Có khả năng số lượng động vật biển sẽ giảm 15% và sản lượng đánh bắt thủy sản giảm từ 21% đến 24% vào cuối thế kỷ 21 do biến đổi khí hậu.[64]

Một nghiên cứu năm 2020 báo cáo rằng vào năm 2050, hiện tượng ấm lên toàn cầu có thể lan rộng trong đại dương sâu gấp bảy lần so với hiện tại, ngay cả khi lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính được cắt giảm. Sự ấm lên ở các lớp trung bì và sâu hơn có thể gây ra những hậu quả lớn đối với lưới thức ăn của đại dương sâu, vì các loài sinh vật đại dương sẽ cần phải di chuyển để duy trì nhiệt độ tồn tại.[65][66]