水深200mまでは海水が自由に混合するが、温度躍層をはさんで上下の海水は混合することはない。
深海には深層水と呼ばれる、表層とは違った物理的・化学的特徴を持つ海水が分布する。表層と違い風の影響を受けないが、地球上の2箇所（北大西洋のグリーンランド沖と南極海）で形成される深層水（北大西洋深層水と南極低層水）は熱塩循環によってゆっくりと世界中の海洋を移動している。
また、北太平洋には深度数百mに北太平洋中層水と呼ばれる海水が分布することが分かっている。
水深数千メートルの深海でも秒速数cmの海水の流れがあり、深層流と呼ばれる。深層流と日本で飲用水として販売されている「深層水」とは全く関係が無い。深層流は地球規模の熱塩循環を構成している。核実験の時に生じたトリチウム（三重水素）という放射性同位元素を利用して、一度深海に潜り込んだ海水が再び表層まで湧き上がってくる時間を測定した結果、平均して2,000年程度掛かっていることが判った[1]。
深海は大きな水圧と低い水温、さらに光のない暗黒の世界と生物にとっては過酷な環境である。 光合成に利用可能な太陽光は水深数十m程度までしか届かない。
深海では、深海魚など表層とは全く異なった形態や生態をもつ生物が多く生息する。しかし深海生物は現代では意外と身近な存在でもある。サクラエビ、ヒゲナガエビ、ホッコクアカエビ（アマエビ）、タカアシガニ、ズワイガニ、タラ、キンメダイ、アコウダイ、メルルーサなど、漁具や冷凍・運搬技術の発達により、食用として流通するようになった深海生物は枚挙にいとまがない。
微生物にとっても深海はやや苛酷な環境であり、深度の増加に伴い数が減少する。光合成を糧とするシアノバクテリア類は早々にいなくなり、表層では殆ど検出されない古細菌類の割合が増加する（1000m以下で細菌類と古細菌類の検出数がほぼ等しくなる[3]）。さらに深いところでは、マリアナ海溝から超好圧細菌Moritella yayanosiiが発見されている。
水深600-1,000m付近には溶存酸素量が極端に少ない酸素極小層がある。これは上層から降下してくる有機物を細菌が分解する時に、水中の溶存酸素を使うため、この深度では酸素が使い果たされてしまうのである。酸素極小層ではさすがに生物の姿もまばらになるが、ここを過ぎると溶存酸素量がわずかながら増え、生物の密度もわずかに上がる。
深海では生物群集における生産者を欠くため、浅海での物質生産に大きく依存する。直接的利用と、間接的利用の二通りの方法がある。
直接的利用は深海生物が浅海に浮上して採餌を行うことで、ハダカイワシなど中深層に生息する多くの深海魚は、夜間により浅い水域に移動して採餌を行う。
間接的利用とは、浅海の生物の遺骸や排泄物がデトリタスなどの状態になって沈んでゆき、深海生物の餌として利用されるものである。深海では水中に雪のように漂うマリンスノーが見られるが、これもその例である。また、まれにクジラの死体が深海底に沈み、多くの動物の餌となっていることも知られている（鯨骨生物群集）。
深海での食物連鎖は、海の表層から降下してくる有機物のみに依存すると思われていたが、1970年代から各国で進められている深海探査により、浅海の生産物に頼らない独立した生態系が存在することが明らかになった。この生態系を化学合成生態系という。
海嶺や海底火山の周囲にある熱水噴出孔では、300℃以上もの熱水が噴き出している。その周囲には熱水中に含まれる硫化水素をエネルギー源にして生存する化学合成細菌が繁殖している。これらを体内に共生させるチューブワーム（ハオリムシ）やシロウリガイ、細菌を餌にするカイレイツノナシオハラエビ、さらにそれらの生物を餌にするイソギンチャク、シンカイコシオリエビ、ユノハナガニ、ゲンゲなどが世界各地の熱水噴出孔で次々と発見されている。
生物の生息密度は、ふつう沿岸から離れた深海ほど低くなるが、熱水噴出孔の周囲は高密度で生物が生息している。
前述のように、深海では基本的には生産者が欠如し、消費者と分解者のみからなる生態系が作られている。それを支えるエネルギーは、浅海での生産に依存している。
他方、浅海では光合成が行われるが、同時に無機窒素などの肥料分の消費も激しい。それらは消費者や分解者の活動で作られるが、その量が光合成量を規定する制限要因ともなっている。つまり慢性的に不足気味である。他方、深海では生産者が存在しないため、消費者・分解者共に密度が低いとはいえ、肥料分は作られる一方である。ほとんどの場所で、これらの海水の間での大きな流れは存在しないが、一定の場所ではそのような海水が浅海に吹き上がるような流れを生じる。そのことを湧昇というが、そのような流れを生じる場所は、肥料分の多い海水が供給される場所となり、他の場所よりはるかに豊かな生物相を支えることができる。
新たな水産資源や鉱物資源を深海に求める機運もあり、1970年頃から各国が深海探査に乗り出すようになった。これまでに新種の生物やメタンハイドレート、マンガン団塊,コバルトクラスト、熱水鉱床等が次々と見つかっているが、まだまだ深海は未知の世界といえる。
各国の所有する主な深海探査船には次のようなものがある。
日本の所有する有人深海探査船は「しんかい2000」と「しんかい6500」である。「しんかい2000」は2003年に引退し、現在は「しんかい6500」だけが稼動している。
「しんかい6500」はその名のとおり水深6,500mまでの潜航が可能である。