Las diferentes fracciones de hidrocarburos tienen comportamientos muy diferentes en el medio ambiente, por sus características físicas o su composición química. Según el tipo de hidrocarburo tenderá a volatilizarse y a dispersarse con facilidad (los más ligeros) o a hundirse y sedimentar en el fondo (los más pesados, como el fuel del Prestige). Otra posibilidad es que el hidrocarburo, en contacto con el agua, emulsione, lo que provoca que su volumen aumente 3 ó 4 veces.

Cuando se produce un vertido, el primer efecto que se detecta es que aparecen aves “petroleadas”. Las aves, al cubrir su plumaje con aceites e hidrocarburos, pierden la capacidad protectora y aislante con lo que en la mayoría de los casos mueren por hipotermia. Las aves que han estado en contacto con el petróleo también pueden perder su flotabilidad y su capacidad de vuelo.

La falta de luz provocada por la película de fuel oil reduce el aporte de oxígeno al ecosistema marino. Además, estas manchas contaminan o matan al plancton, formado por multitud de pequeños organismos que viven cerca de la superficie y que constituyen la base de toda la cadena alimentaria.

Aunque el impacto agudo es más bien de tipo físico, al impedir la capa de hidrocarburos acumulada el paso de la luz y el oxígeno, hay que considerar la aparición de efectos ecotoxicológicos a medio-largo plazo. Estos pueden ser derivados de la presencia de sustancias tóxicas en el petróleo o a la aparición de otras sustancias de degradación de éstas que pueden ser más peligrosas

El petróleo contiene una gran colección de sustancias contaminantes que son tóxicas para la fauna y el ser humano. Entre ellas se encuentran algunos compuestos orgánicos volátiles (COVs), hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAHs) o metales pesados.

Las más preocupantes son los PAHs y sus derivados. Los PAHs se consideran compuestos orgánicos persistentes, ya que su estructura molecular es muy estable, por lo que pueden permanecer en el medioambiente durante largos periodos de tiempo. Presentan una baja solubilidad en agua, pero en cambio son liposolubles y pueden acumularse en los tejidos grasos de los organismos (bioacumulación) incrementando de esta forma su peligrosidad. Los principales impactos de los PAHs en la salud humana se centran en sus propiedades genotóxicas, es decir, causan daños  al material genético pudiendo generar efectos mutagénicos y promover el desarrollo de tumores
(carcinogénesis). De hecho, estudios epidemiológicos realizados tras accidente como el del Prestige ha confirmado estos efectos sobre la salud humana.

Aunque los compuestos más estudiados han sido los PAHs, no hay que infravalorar la peligrosidad de sus derivados alquílicos. Éstos son más persistentes que los primeros y en algunas ocasiones también más tóxicos. La alquilación de los PAHs (la introducción de una cadena de hidrocarburo en una molécula orgánica, en este caso de PAH) disminuye la solubilidad en agua pero incrementa su concentración en tejidos grasos y por lo tanto su bioacumulación.

Las vías de exposición a hidrocarburos aromáticos son tres: respiratoria, dérmica y digestiva. Durante las labores de limpieza son la respiratoria y la dérmica. Entre los efectos inmediatos que puede causar la inhalación de los vapores que se desprenden de este fuel están los daños pulmonares y la depresión transitoria del sistema nervioso central. A través de la piel, aunque los efectos inmediatos no son de extrema gravedad, puede producir irritación, dermatitis... Igualmente, se pueden absorber PAHs, dada su liposolubilidad, y a largo plazo fomentar el desarrollo de cáncer de piel.

La fauna sufre efectos tóxicos por exposiciones similares. Por inhalación de gases que se desprenden cuando el hidrocarburo se está volatilizando; por ingestión, al contaminar la cadena alimentaria; y por contacto dérmico. Los vapores que se desprenden pueden dañar el sistema nervioso central de los animales, el hígado y los pulmones. Pueden provocar efectos muy graves en el sistema respiratorio y sobre la piel. A través de la ingestión de petróleo, pueden perder la capacidad de alimentarse o digerir por daños celulares en el tracto intestinal. Algunos estudios muestran incluso, que, a largo plazo, pueden aparecer afecciones reproductivas.

En consecuencia, la contaminación por hidrocarburos tiene un impacto directo sobre la pesca y el marisqueo y, por tanto, en la economía y en la seguridad alimentaria.

La contaminación por metales pesados y por partículas es también muy característica de las zonas industriales donde existe procesado de hidrocarburos. Las emisiones de PM10 disminuyen la calidad del aire e incrementan las afecciones respiratorias.