Diferențele de densitate cauzate de temperatură (termo) și salinitate (halină) determină o răsturnare la scară globală a oceanului. Apa rece și sărată formată în regiunile polare se scufundă și se răspândește în adâncurile oceanului, în timp ce upwell-ul mai lent readuce apa la suprafață în alte părți. Această circulație termohalină, uneori numită banda transportoare globală, redistribuie căldura și carbonul pe intervale de timp de secole.

Atlanticul de Nord este o regiune cheie pentru formarea apelor adânci; Oceanul de Sud din jurul Antarcticii este o altă regiune. Fluxul de întoarcere spre suprafață este distribuit și încă incomplet cartografiat. Modificările aportului de apă dulce din topirea gheții sau modificarea precipitațiilor ar putea slăbi formarea apei dense și, prin urmare, ar putea altera circulația, cu potențiale consecințe climatice, în special pentru regiunea Atlanticului de Nord.

Dovezile privind schimbările trecute ale circulației termohaline provin din înregistrările sedimentelor și din carotele de gheață. Observațiile moderne se bazează pe ancoraje adânci, plutiri și măsurători cu trasoare. Modele de complexitate variabilă simulează circulația și sensibilitatea acesteia la forțare. Sistemul este lent, dar transportă volume imense de apă și căldură.

O parcelă de apă care se scufundă în Mările Nordice poate avea nevoie de o mie de ani pentru a-și completa circuitul.