A hőmérséklet (termo) és a sótartalom (halin) okozta sűrűségkülönbségek az óceán globális szintű felfordulását idézik elő. A sarkvidékeken képződő hideg, sós víz lesüllyed és szétterjed a mély óceánban, míg a lassabb feláramlás máshol visszajuttatja a vizet a felszínre. Ez a termohalin cirkuláció, amelyet néha globális szállítószalagnak is neveznek, évszázados időskálán osztja el újra a hőt és a szenet.

Az Észak-Atlanti-óceán kulcsfontosságú képződési régió a mélyvíz számára; az Antarktisz körüli Déli-óceán egy másik. A felszín felé irányuló visszaáramlás elosztott és még mindig hiányosan feltérképezett. Az olvadó jég vagy a megváltozott csapadék miatti édesvíz-beáramlás változásai gyengíthetik a sűrű víz képződését, és ezáltal megváltoztathatják a cirkulációt, ami éghajlati következményekkel járhat, különösen az észak-atlanti régióban.

A termohalin cirkuláció múltbeli változásaira utaló bizonyítékok üledékfelmérésekből és jégmagokból származnak. A modern megfigyelések mély kikötőhelyekre, úszókra és nyomjelző mérésekre támaszkodnak. A változó komplexitású modellek szimulálják a cirkulációt és annak érzékenységét a kényszerítő hatásokra. A rendszer lassú, de hatalmas mennyiségű vizet és hőt szállít.

Egy Északi-tengerben elsüllyedő víztest akár ezer évig is eltarthat, mire befejezi a körútját.