因水色深暗且多風暴而得名。西南經博斯普魯斯海峽（最深為27.5米）、馬爾馬拉海、達達尼爾海峽通愛琴海和地中海，東北經狹窄的刻赤海峽（深僅5米）與亞速海相連。北岸因有克里木半島的伸入，使海區中部窄而兩頭略寬。東西最長1130千米，南北最寬 611千米。岸線全長4090千米，總面積約42.2萬平方千米。平均水深1315米，最大水深2210米。

東岸和南岸被山脈包圍；西岸，岸線平直少洼地，分布有多瑙河河口三角洲；北岸低洼而曲折，被許多溝壑河谷所切割，僅在克里木半島南岸為懸崖峭壁。海底地形，由四周向中部下傾，各等深線可組成很不對稱的同心環形圈。大陸架可以100～110米等深線為邊緣，面積約占黑海總面積的1/4，西部和北部較寬闊。中部為平坦的深海盆，水深略大于2200米，約占總面積的1/3。深軸線偏于土耳其近岸。

黑海是2.5億年至6000萬年前（或4000萬年前）古地中海海盆的殘留海盆。古新世末期，小亞細亞發生構造隆起時，黑海才與地中海分開，逐漸形成為內陸海。直至2500萬年前的中新世，黑海的水還與里海相連，此后才逐漸分開。隨著地殼運動和歷次冰期、間冰期來臨，黑海與地中海之間，也多次隔絕又復相連。現在與地中海相連，是在6000～8000年前末次大冰期后形成的。海底底質，陸架區近岸一側為砂質陸源物質，向外海一側為介殼石灰巖；深海盆底部多鈣質軟泥，并帶有硫化亞鐵沉積。

夏涼秋暖，全年溫和。冬季，北部和西北部海區月平均氣溫為-3℃，克里木半島南岸近海為3℃，東南海區為6℃。夏季，全海區氣溫差別不大，為23～24℃。黑海平均每年有180多天受極地冷空氣的入侵和影響，盛行東北大風，降溫劇烈，多雨；有近90天受來自地中海熱帶空氣的影響，比較溫濕。有時受東歐天氣系統的影響，常有暴雨和風暴。新俄羅斯布拉風是黑海獨有的氣候特點，積聚在近海山頂上的冷空氣急速吹向海面，形成風速達20～40米/秒的強風，這種風可持續一個星期之久。年降水量西部、西北部300～500毫米，南部750～800毫米，東部1800～2500毫米。

表層流為沿海岸的氣旋型環流。流速為20～40厘米/秒，主流中心可達40～70厘米/秒。受黑海中部較窄地形影響，東、西海區各形成一個氣旋型環流。300米深處的流速可達20～30厘米/秒。與外海的水交換主要通過博斯普魯斯海峽。黑海上層水經該海峽流出的年總流量可達398立方千米，而從馬爾馬拉海流入黑海的深層水，年總流量僅193立方千米。周圍有多瑙河、第聶伯河、德涅斯特河等淡水注入黑海，徑流總量每年約355立方千米。上層水淡而輕，浮置于深層高鹽水之上，使海水層化，限制了深層水的垂直對流，造成深層水缺氧。黑海海水從底層到表層循環一周，約需130年。

黑海水團有表層水和深層水兩類。0～75（或100）米層為表層水，主要特征是鹽度低，溫度的年較差大：2月最低，近岸為0.5～1.0℃，外海為7～8℃，東南海區為8.5℃。夏季，水溫達25～26℃。鹽度一般為18.5。含氧量較高，碳酸鹽的含量較大。水溫的垂直結構較為特殊，從0～60（或75）米，溫度隨深度略有降低，此后則隨深度緩慢增加，這是海底加熱結果。從100米或120米以下為深層水，溫鹽度較均勻，季節變化甚小。無氧，多硫化氫。硫化氫的含量可達6～8毫升/升。

浮游植物有350多種，浮游動物有80種。近岸海區有無脊椎動物、魚卵和幼蟲。底棲生物相當貧乏，只有地中海的1/5至1/4。西北海區有很多牡蠣和其他軟體動物，魚類約有180種，尤以鱘魚最負盛名，其次是鯡魚、西鯡、灰鯔和鯊魚等。黑海是聯系烏克蘭、保加利亞、羅馬尼亞、俄羅斯西南部與世界市場的航運要道。黑海北部沿岸，尤其是克里木半島，是東歐人的度假、療養勝地。