Οι πετρελαιοδιαστρώσεις είναι γνωστές ότι επηρεάζουν κάθε συστατικό ενός οικοσυστήματος. Άγρια ζωή, άνθρωποι, και τα αντίστοιχα περιβάλλοντές τους βλάπτονται από τοξικές χημικές ουσίες που βρίσκονται στο πετρέλαιο. Ακόμα και οι προσπάθειες να επιδιορθωθούν οι ζημίες που προκλήθηκαν από μια πετρελαιοδιάστρωση έχουν τις συνέπειές τους. Το πετρέλαιο μπορεί να αποδειχθεί επικίνδυνο για τους εργαζόμενους και εθελοντές που παραμένουν σε επαφή με την ουσία. Η θαλάσσια ζωή που αναγκάζεται να ζει στο μείγμα πετρελαίου και νερού δεν έχει επιλογή πέρα από να υποφέρει. Ουσιαστικές βιολογικές επιπτώσεις στο περιβάλλον προκύπτουν από την επαφή με χημικές ουσίες πετρελαιοδιάστρωσης.
Το πετρέλαιο κολλάει στην άγρια ζωή, δημιουργώντας έτσι ένα παχύ στρώμα κολλώδους υλικού στις τρίχες και φτέρες. Επειδή το πετρέλαιο αναρτά στην επιφάνεια του νερού, πολλοί gatunkες ζώων είναι ευάλωτοι στο πετρέλαιο. Ο κίνδυνος υπ andereμίας αυξάνεται δραματικά σε πουλιά, φώκες, ενυδρικές βιδρές, και άλλα θαλάσσια μαστοφόρα και πουλιά. Το πετρέλαιο καταστρέφει την φυσική μόνωση και υδροφυγές ιδιότητες των τριχών σε θαλάσσια ζώα, γεγονός που προκαλεί τον μεταβολισμό τους να πέσει κάτω από λειτουργικά επίπεδα. Ζώα με πετρέλαιο κομμένο σε αυτά χάνουν σχεδόν όλη την κινητικότητά τους, καθιστώντας τα εξαιρετικά ευάλωτα σε predator. Οι predator, ωστόσο, επηρεάζονται επίσης από τις πετρελαιοδιαστρώσεις. Τα όργανά τους μπορούν να βλαφθούν από την κατανάλωση του πετρελαίου της θύρας στο σώμα τους. Οι πνεύμονες και οι αεραγωγοί των predator εμποδίζονται, καθώς και τα ήπατά τους, τα ανοσοποιητικά συστήματα και τα κυττάρα αίματος.
Χωρίς το κατάλληλο εξοπλισμό ασφαλείας όπως φόρμες, γάντια, και αναπνευστικές μάσκες, οι άνθρωποι εκτίθενται σε τοξίνες στο πετρέλαιο. Οι φυσικές επιπτώσεις του πετρελαίου στους ανθρώπους δεν είναι τόσο δραστικές όσο οι επιπτώσεις που έχει το πετρέλαιο στα ζώα. Σύμφωνα με το Εθνικό Ινστιτούτο για την Επαγγελματική Ασφάλεια και Υγεία, το πετρέλαιο μπορεί να ερεθίσει ελαφρώς το δέρμα και τους πνεύμονες, και να προκαλέσει εμετό αν καταπιεθεί ακακούσια. Η έρευνα είναι ακόμα σε εξέλιξη για να δει αν υπάρχουν μακροπρόθεσμες επιπτώσεις της έκθεσης στο πετρέλαιο που δεν αποκαλύπτονται μέχρι πολλά χρόνια αργότερα. Σύμφωνα με το Science Daily, τα ίδια καρκινογόνες χημικές ουσίες στα καύσιμα diesel και τον καπνό τσιγάρων βρίσκονται στο μείγμα πετρελαίου και χημικών που φτάνουν την ακτογραμμή κατά τις πετρελαιοδιαστρώσεις.
Το πετρέλαιο στην επιφάνεια ενός σώματος νερού περιορίζει τις διαδικασίες φωτοσύνθεσης των θαλασσινών φυτών και πλαγκτόντος. Το πλαγκτόν χρησιμεύει επίσης ως προσωρινό σπίτι για τα αυγά και τις λάρβες ψαριών, μαλακιών, βυθίων και ακτοπλοϊκών οργανισμών. Το πετρέλαιο μπορεί να βλάψει τόσο το πλαγκτόν όσο και τα αυγά και λάρβες που είναι συνδεδεμένα σε αυτά, μειώνοντας τον αριθμό οργανισμών στο οικοσύστημα. Τροπικές περιοχές με βάλτους και ελιάδες περιλαμβάνουν δέντρα που προστατεύουν την ακτή, νέα ζώα, και άλλα ζωντανά δείγματα. Το πετρέλαιο από τη διάστρωση μπορεί να σφίξει τις ρίζες ενός δέντρου, και να διαπεράσει τα ιξώδη. Καταστρεφόμενα δέντρα θα αφήσουν τους οίκους του βάλτου σε κίνδυνο ρύπανσης πετρελαίου,
