位於歐洲大陸的東南端，東南部和南部與亞洲大陸相連。黑海因水色深暗且多風暴而得名。西南有博斯普魯斯海峽（最深為27.5米）與地中海相通；北部經狹窄的刻赤海峽（深僅5米）與亞速海相連。北岸因有克裏木半島的伸入，使海區中部窄而兩頭略寬，幾呈橢圓形。東西最長為1130公裡，南北最寬為611公裡，中部最窄為263公裡。岸線全長4090公裡，總面積約為42.2萬平方公裡。平均水深為1315米，最大水深為2210米。
地質地形 東岸和南岸被山脈包圍；西岸，岸線平直少窪地，分佈有多瑙河河口三角洲；北岸低窪而曲折，被許多溝壑河谷所切割，僅在克裡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四分之一，西部和北部較寬闊，其它區域一般寬為10～11公裡，中部為深海盆，水深略大於2200米，約占總面積的三分之一。海盆底部為平坦的平原，深軸線偏於土耳其近岸。
黑海是2.5億年～6000萬年（或4000萬年）前古特提斯海盆的殘留海盆。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，並逐漸與外海相隔離，形成為內陸海。直至2500萬年前的中新世，黑海的水還流入海湖鏈。此後，逐漸與裡海分開。隨著地殼運動和歷次冰期、間冰期所引起的海平面變化，使黑海與地中海之間，經歷瞭多次隔絕又多次連接的過程。目前，與地中海相連的現狀，是在6000至8000年前，末次大冰期後形成的。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，並帶有硫化亞鐵沉積。
氣候 夏涼秋暖，冬短春長，全年溫和。冬季，北部和西北部海區月平均氣溫為-3°C，克裡木半島南岸近海為3°C，東南海區為6°C。夏季，全海區氣溫差別不大，西部為23°C，東部為24°C。西北海區，冬季寒冷，夏季幹熱。東南海區，冬季溫暖，夏季濕熱。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。新俄羅斯佈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，對海上船舶威脅很大。
水文特征 表層流為沿海岸的氣旋型環流（見圖）。流速較穩定，約為20～40厘米/秒，流軸處可達40～70厘米/秒。有暴風時，順風流速達100厘米/秒以上；逆風流速僅10～20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。現已觀測到，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立方公裡，而從馬爾馬拉海流入黑海的深層水，年總流量僅193立方公裡。經刻赤海峽流入亞速海的年總流量為34立方公裡，從亞速海流入黑海的為59立方公裡，周圍流入黑海的徑流總量每年約355立方公裡，其中80％流入黑海西北部。汛期多集中於春季。黑海上層水多為較輕淡水，浮置於深層高鹽水之上，使海水層化，限制瞭深層水的垂直對流。由於受地殼的加熱和海底有機質分解等化學反應的放熱作用，導致底部海水因微弱的垂直不穩定而出現湍流，緩慢地發生重直循環。估計要使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，水溫以2月最低，近岸為0.5～1.0°C，外海為7～8°C，東南海區為8.5°C，由西北向東南遞增。夏季，水溫達25～26°C。鹽度一般為18.5。含氧量較高，在0～50（或70）米層，含氧量約占整個水柱的80％。碳酸鹽的含量也較大。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，自此以深直至底層，都隨深度緩慢增溫，這是黑海獨有的特征。從100～120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。中部海區120米以深，近岸帶220米以深的水層，無氧存在，而硫化氫的含量可達6～8毫升/升。
生物資源 浮遊植物有350多種；浮遊動物有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，隻有地中海的五分之一至四分之一。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。