黒海の成因は白亜紀の火山弧が分離したことと新旧テーチス海の沈降によるところが大きいがそれらの時期については議論がある。形成初期から圧縮力が働き盆地として沈降したが、火山活動と造山運動も無数に生じ、コーカサス、クリミア、バルカンなどの山地が形成された。

現在も続くアフリカプレートとユーラシアプレートの衝突と、北および東アナトリア断層に沿ってアナトリア地塊が西へ動くことが、黒海を沈降させアナトリア地域で火山が活発化する原因である。これら地質メカニズムが長期にわたって黒海を他の海洋から隔離したと言える。いまの海底地形の特徴としてクリミア半島から南に延びる盛り上がった部分がつくる浅い陸棚があり、190ｋｍの広がり見せる。黒海の中央部は嫌気性の深海平原で最大水深はヤルタの南で2,206ｍになる。