Effekter på de forskjellige biologiske systemer vil opptre til forskjellig tid etter eksponering for en toksisk forbindelse (Fig. 1). Den giftige forbindelsen vil binde seg molekylært til en reseptor relativt kort tid etter at organismen er eksponert for stoffet. Eksempel er binding av PAHer (polyaromatiske hydrokarboner) til såkalte reseptorer i cellen. Etter en tid vil en få en biokjemisk respons, som f.eks. en induksjon av MFO systemet. Deretter vil en få fysiologiske forandringer i organer eller i organismen, f.eks. hormonforstyrrelser, noe som medfører effekt på individet, f.eks. embryomortalitet og reproduksjonssvikt. Det kan ta fra dager til måneder etter eksponering før en kan detektere noen effekt på individet. Til sist, etter flere måneder eller år, vil en kunne observere effekter på populasjoner eller samfunn, som f.eks. nedgang i bestander eller populasjoner eller forandring av artssammensetning.

Selv om denne modellen egner seg best til å beskrive konsekvenser av eksponering for lave doser som ikke har umiddelbar akutt dødelig effekt, kan modellen også brukes til å beskrive effektene som skjer etter en akutt ulykke der mengdene er så store at de medfører høy umiddelbar mortalitet. Tidskalaen blir da vesentlig kortere, og en kan observere effekter på individer, populasjoner, samfunn og økosystem allerede kort tid etter eksponering.

Figur 1. Sammenheng mellom biokjemiske fysiologiske, individuelle og populasjonsmessige responser ovenfor forurensingsstoffer.

Mesteparten av oljen som produseres, forbrukes i forbrenningsprosesser, der CO2 er endeproduktet. Atmosfæriske utslipp både av hydrokarbonholdige gasser og de helt eller delvis forbrente produkter av både gass (bl.a. CH4) og olje (bl.a. CO2) er antakeligvis viktige faktorer i den globale oppvarming som følge drivhus-effekten. Global oppvarming vil antakelig medføre store effekter på de naturlige økosystemer.

Graden av økologisk effekt er selvfølgelig avhengig av i hvilken grad organismer er tilstede i området som påvirkes av petroleums-virksomhet. Fordi organisme-tettheten ofte er relativt lav i åpent hav, vil oljeforurensing i åpent hav ofte ha mindre konsekvenser sammenliknet med et i størrelse likt utslipp i kystnære farvann der organisme-tettheten ofte kan være svært høy.

De biologiske effekter av oljeforurensing avhenger også av oljetypens fysiske og kjemiske egenskaper, og oljeproduktenes toksiske egenskaper. Oljens giftighet (toksisitet) avhenger av dens kjemiske komposisjon, og det kan derfor være stor forskjell i toksisteten til råolje av forskjellig opprinnelse. Alkaners toksisitet øker med økende molekylvekt, og generelt er cyclo-alkaner de mest toksiske av alkanene. Parafiner er inerte, og de aromatiske hydrokarbonene er mest toksiske. Naftalener og fenantrener er relativt vannløselige, og persistente, og bidrar derfor mest til de toksiske effekter. Forskjellige organismer er også i varierende grad følsom for de toksiske forbindelsene, og følsomheten kan også variere avhengig av organismenes alder, sesong og reproduktive status.