当表层海水汇聚或因冷却或蒸发而密度增大时，它们会下沉。这种下沉运动称为下沉流。它将氧气、热量和溶解的碳带入海洋内部，并将先前在其他地方上升的水流返回，从而帮助闭合全球环流。

当风将表层海水吹向海岸，使其堆积并向下流动时，就会发生沿岸下沉流。在埃克曼输送汇聚的亚热带环流区，开阔海洋的下沉流十分常见。在极地和亚极地海域，冬季强烈的降温会产生高密度海水，这些海水会下沉到很深的海域，为翻转环流的深层支提供水源。

下沉流区域的表层生产力通常较低，因为营养物质无法从下方补充。然而，它们对于深海的通风和人为碳的封存至关重要。直接观测下沉流十分困难；其存在是通过密度结构、示踪剂分布和水平流的辐散来推断的。

北大西洋下沉的海水可能数百年都不会返回海面。