Itämeri on Mustanmeren ohella yksi maapallomme suurimmista murtovesialtaista, mutta merialueemme on kansainvälisessä vertailussa hyvin matala. Itämeren keskisyvyys on 54 metriä, kun se Välimerellä on jo 1500 ja valtamerillä keskimäärin 4000 metriä. Suomenlahdella keskisyvyys pienenee 38 metriin.
Itämeren alueella maa kohoaa jääkauden jälkeen edelleen ja se on voimakkainta Perämerellä, jonka ympäristössä keskisyvyys on pienenemään päin. Itämeren syvin kohta löytyy Ruotsin edustalta Gotlannin altaalta, missä syvin kohta on 459 metriä ja tätä kutsutaan Landsortin syvänteeksi. Perämerellä syvin kohta on 146, Selkämerellä 293 ja Suomenlahdella 123 metriä. Matalimmillaan Suomenlahti on sen pohjoisilla rannikkoalueilla Suomen ja Venäjän edustalla, syvimmät kohdat löytyvät puolestaan Tallinnan koillispuolelta ja läntiseltä Suomenlahdelta, missä päästään yli 100 metrin syvyyksiin.
Matala ja suljettu Itämeren allas tekee veden vaihtumisesta haastavaa. Käytännössä tällä hetkellä vesi pääsee kunnolla vaihtumaan Atlantin valtameren kanssa vain Tanskan salmien kautta, mutta sielläkin vaihtoprosessi on vaivalloinen salmien kapeuden ja mataluuden vuoksi. Itämeri onkin hyvin herkkä saastumiselle heikon veden vaihtuvuuden ja vähäisen vesimääränsä vuoksi. Itämeren veden uudistumiseen tarvitaan peräti useita kymmeniä vuosia. Toisaalta Itämereen pääsee myös valumaan paljon ravinnerikasta jokivettä, joka laimenee meriveteen päästessään, mutta voi altistaa esimerkiksi sinileväkukinnoille.
Itämeren ongelmana on kautta aikojen ollut myös happikato, joka johtuu veden voimakkaasta kerrostuneisuudesta: pinnalla vesi on vähäsuolaisempaa ja harvempaa kuin pohjalla ja tämän vuoksi veden pystysuuntainen sekoittuminen on heikkoa. Useilla alueilla Itämeren pohjassa vallitseekin pysyvä happikato, joka helpottuu Tanskan salmien kautta saapuvien suolavesipulssien myötä vain tilapäisesti.
