Die Ostsee ist ein erdgeschichtlich relativ junges Meer. Ihre Entstehung begann am Ende der letzten Eiszeit, der Weichseleiszeit, vor etwa 12.000 Jahren. Die Bildung des heutigen Brackwassermeeres ging dabei in mehrere Etappen vor sich. Durch Landhebungen und einen Anstieg der Meeresspiegel durch Abschmelzen der Gletschermassen nach der Weichseleiszeit entstanden zunächst Konturen die mit den heutigen Küstenlinien nur wenig zu tun hatten. Während Nordeuropa, das Gebiet der heutigen Ostsee und auch Teile des heutigen Norddeutschlands vor 12.000 Jahren  von riesigen Gletschermassen bedeckt waren kam es durch einen  Klimaumschwung zu einem Rückzug der Eismassen in Richtung Skandinavien. Es kam zum Einstrom von Salzwasser in das sich bildende Meer, es entstand das Yoldiameer. Durch Hebungen im Skandinavischen Festland wurde jedoch die Verbindung zum salzhaltigen Ozean unterbrochen und mit der Ancylussee entstand vor etwa 8900 bis 7000 Jahren ein Süßwassersee. In der Zeit vor 7000 bis vor 2500 Jahren kam es zu einer erneuten Verbindung mit salzhaltigen Gewässern im Westen, es entstanden die Insellandschaft Dänemarks und ein großer Teil der heutigen Inseln und Küstenlinien mit Förden, Bodden und Buchten.

Der Salzgehalt der Ostsee schwankt zwischen über 2,5 % im Skagerrak in der nähe der Nordsee und 0,5 %–0,3 % im nordöstlichen Teil (Bottnischer  und Finnischer Meerbusen). Neben der unterschiedlichen Entfernung zur salzhaltigeren Nordsee spielt die Durchmischung mit den in die Ostsee fließenden Flüssen, wie z.B. der Oder eine erhebliche Rolle. Die Küste der Ostsee ist sehr unterschiedlich geprägt. Während die Grundlagen für die heutigen Küstenformen in der Eiszeit gelegt wurden, gibt es auch heute noch immer Veränderungen, die die unterschiedlichen Küstenformen prägen. Neben Kliffküsten (Königstuhl auf Rügen, Streckelberg auf Usedom) finden sich Ausgleichsküsten mit Landzungen (Fischland, Peenemünder Haken), Scheeren (Küsten der zentralen und nördlichen Ostsee, Schweden, Finnland), Boddenküsten (Vorpommern) und Haffküsten (Stettiner Haff).

Die Tier- und Pflanzenwelt der Ostsee wird entscheidend durch den niedrigen Salzgehalt des Gewässers, die Temperatur und die relativ geringe Wassertiefe geprägt. Problematisch für das ökologische Gleichgewicht in der Ostsee scheint neben der globalen Erwärmung auch die relativ starke Verschmutzung und der insbesondere in tieferen Wasserschichten ausgeprägte Sauerstoffmangel zu sein. So hat der Fisch- und Artenreichtum in der vergangenen Jahrhunderten erheblich abgenommen. Im Sommer kommt es wegen sehr hoher Wassertemperaturen zu einem typischen Algenwachstum. Auf die Badequalität des Wassers hat dieses aber bisher keinen negativen Einfluss gehabt. Konsequente Schutzmaßnahmen haben in den vergangene Jahren sogar wieder zu einer leichten Stabilisierung geführt. Zum Beispiel sind seit einiger Zeit im Greifswalder Bodden wieder Kegelrobben zu finden und der ausgestorbene Salmonidenfisch "Schnäpel" hat sich durch Neubesatz wieder verbreitet.