Чёрное море заполняет изолированную впадину, расположенную между Юго-Восточной Европой и полуостровом Малая Азия. Эта впадина образовалась в эпоху миоцена, в процессе активного горообразования, разделившего древний океан Тетис на несколько отдельных водоёмов (из которых впоследствии, кроме Чёрного моря, образовались Азовское, Аральское и Каспийское моря) .

Одна из гипотез возникновения Чёрного моря (в частности, выводы участников международной океанографической экспедиции на научном судне «Акванавт» в 1993) гласит, что 7500 лет назад оно представляло собой самое глубокое на земле пресноводное озеро, уровень был ниже современного на сто с лишним метров. По окончании ледникового периода уровень Мирового океана поднялся и Босфорский перешеек был прорван. Были затоплены в общей сложности 100 тыс. км² (плодороднейшие земли, уже возделываемые людьми) . Затопление этих обширных земель, возможно, стало прообразом мифа о всемирном потопе [4]. Возникновение Чёрного моря согласно данной гипотезе предположительно сопровождалось массовой гибелью всего пресноводного живого мира озера, продукт разложения которых — сероводород — достигает высоких концентраций на дне моря [5].

Черноморская впадина состоит из двух частей — западной и восточной, разделённых поднятием, являющимся естественным продолжением Крымского полуострова. Северо-западная часть моря характеризуется относительно широкой шельфовой полосой (до 190 км) . Южное побережье (принадлежащее Турции) и восточное (Грузия) носит более крутой характер, полоса шельфа не превышает 20 км и изрезана целым рядом каньонов и впадин. Глубины у берегов Крыма и Черноморского побережья Кавказа увеличиваются крайне быстро, достигая отметок свыше 500 м уже в нескольких километрах от береговой черты. Максимальной глубины (2210 м) море достигает в центральной части, к югу от Ялты.

В составе горных пород, складывающих дно моря, в прибрежной зоне преобладают грубообломочные отложения: галька, гравий, песок. С удалением от берега их сменяют мелкозернистые пески и алевриты. В северо-западной части Чёрного моря широко распространены ракушечники; для склона и ложа морской впадины обычны пелитовые илы.

Среди основных полезных ископаемых, залежи которых имеются на дне моря: нефть и природный газ на северо-западном шельфе; прибрежные россыпи титаномагнетитовых песков (Таманский полуостров, побережье Кавказа).