Itämeren pahin ympäristöongelma on rehevöityminen. Se johtuu siitä, että Itämereen pääsee liikaa ravinteita kuten typpeä ja fosforia. Ravinteita valuu Itämereen esim. pelloilta. Rehevöityminen näkyy parhaiten levien lisääntymisenä.

Kun merenpohjan hajottajilla on liikaa hajotettavaa, happi loppuu ja merenpohjaan tulee hapettomia, kuolleita alueita. Rehevöityminen haittaa Itämeren avainlajin rakkohaurun (entinen rakkolevä) kasvua. Rakkohaurua tarvitaan kalanpoikasten ja muiden pikkueliöiden suojapaikaksi.

Silloin tällöin Pohjanmeren puolelta tulee Itämereen suuri määrä suolaista hapekasta merivettä. Tätä ilmiötä kutsutaan suolapulssiksi. Suolainen, hapekas vesi valuu hapettomiin syvänteisiin ja parantaa ainakin hetkellisesti Itämeren tilaa. Viime vuosina suolapulsseja on tullut harvemmin kuin ennen.

Vieraslajit ovat eliöitä, jotka ovat tulleet ihmisen mukana Itämereen. Itämeressä tavattavia vieraslajeja ovat mm. petovesikirppu ja liejutaskurapu. Vieraslaji voi runsastuessaan haitata Itämeren alkuperäisiä lajeja, koska se kilpailee samasta elintilasta ja ravinnosta.

Liikakalastus tarkoittaa sitä, että joitain kaloja kalastetaan liikaa. Kalat vähenevät ja saattavat hävitä kokonaan. Liikakalastusta yritetään estää esim. kalastuskiintiöillä. Kalastuskiintiö määrää sen, kuinka paljon jonkun maan kalastajat saavat kalastaa jotain kalalajia.

Itämerellä kulkee suuria öljylaivoja, joten on olemassa vakavan öljyonnettomuuden riski. Mereen päässyt öljy haittaa Itämeren eläinten elämää. Öljyyn tahriintunut lintu tai nisäkäs paleltuu helposti.

Ilmastonmuutos vaikuttaa Itämereen monella tavalla. Rehevöityminen lisääntyy ja uusia vieraslajeja voi levitä Itämereen. Erityisesti kylmään ilmastoon ja veteen sopeutuneet lajit kärsivät ilmaston lämpenemisestä. Tälläisiä ovat esim. hylkeet.