Deniz kirliliği, kimyasal, endüstiyel, tarımsal ve evsel atıkların denizlere dökülmesi veya karışması ile yeryüzündeki su birikintilerinde oluşan çevre kirliliği türüdür.
Denizlerin kirlenmesi sonucunda istilacı türlerin yayılmaktadır. Deniz kirliliğinin kaynaklarının çoğu kara kökenlidir. Kirlilik sıklıkla, tarımsal yüzeysel akış, rüzgârın savurduğu atık ve tozlar gibi yayılı kirlilik kaynaklıdır. Su kirliliğinin bir çeşidi olan besin maddesi kirliliği, denizlere aşırı oranda besin maddesi deşarjı ile oluşan kirliliklerdir. Su yüzeylerinin ötrofikasyonunun asıl sebebidir ve azot ile fosfor gibi aşırı besin maddelerinin yosun üremesini artırması sonucunu doğurur.
Potansiyel olarak toksik kimyasallar küçük partiküllere bulaştıktan sonra plankton ve çoğu depolama ya da deniz suyunu filtreleme yoluyla beslenen bentosa geçer. Bu şekilde toksinler okyanustaki besin zinciri boyunca yukarıya doğru konsantrasyonları artarak ilerler. Birçok partikül kimyasal olarak oksijen tüketerek birleştiğinden haliçler anoksik hâle gelir.
Pestisitler deniz ekosistemlerine karıştığında çok kısa sürede deniz besin ağına girer. Besin ağına girdikten sonra pestisitler mutasyonlara ve insanlara olduğu kadar deniz besin ağına da zarar verecek hastalıklara neden olurlar.
Toksik metaller de deniz besin ağlarına girebilir. Bunlar deniz canlılarının dokularının, biyokimyalarının, davranışlarının ve üremelerinin değişikliğine neden olduğu gibi gelişimlerini de durdurabilmektedir. Aynı zamanda hayvan yemlerinde yüksek oranda balık kaynaklı besin maddesi de kullanıldığından deniz canlılarından gelen toksinler kara hayvanlarına geçtikten sonra et ve süt ürünlerinde ortaya çıkmaktadır.