В строении рельефа дна выделяются: шельф, материковый склон и глубоководная котловина. Шельф глубиной 110-160 м достигает наибольшей ширины (свыше 200 км) в северо-западной части моря; в остальных районах глубина его обычно менее 110 м, ширина от 10-15 км до 2,5 км (у берегов Турции). Материковый склон сильно расчленён подводными долинами и каньонами. Крутизна отдельных участков достигает 20-30°. Между Синопом и Самсуном почти параллельно берегу протягивается система подводных хребтов длиной более 150 км. Дно котловины - плоская аккумулятивная равнина, глубины которой постепенно увеличиваются к центру до 2000 м и более (максимальная глубина моря 2211 м) [Большая Советская Энциклопедия, 1977]. Дно включает разнородные разновозрастные в геологическом отношении части. Как видно из рисунка 10 [15], большая часть впадины Чёрное море расположена в пределах Альпийской геосинклинальной области. Земная кора под котловиной состоит из двух слоев - осадочного и "базальтового", мощность осадочного слоя 10-16 км, причём верхняя его часть (не менее 3-4 км) залегает практически горизонтально. Мощность земной коры в центральных частях котловины составляет 22-25 км, по периферии, где над "базальтовым" появляется гранитный слой, - 30-35 км [Большая Советская Энциклопедия, 1977]. Северо-западная шельфовая часть Чёрное море охватывает южный край Восточно-Европейской платформы и эпипалеозойскую Скифскую платформу.
В прибрежной зоне преобладают грубообломочные отложения: галька, гравий, пески; по мере удаления от берега их довольно быстро сменяют мелкозернистые пески и алевриты. В северо-западной части широко распространены ракушечники и современные ракушечные банки, населённые мидиями, устрицами и другими моллюсками. Для склона и ложа впадины характерны пелитовые илы, карбонатность которых возрастает к центру моря (местами превышая 50%).
Основные полезные ископаемые: нефть и газ на Северо-западе котловины; прибрежные россыпи титаномагнетитовых песков (Тамань, побережье Кавказа). Бурное геологическое прошлое выпало на долю того района, где ныне находится Черное море. Поэтому в современном облике водоема нет-нет, да проглядывают следы тех или иных отдаленных событий.
До начала третичного периода, то есть во времена, отдаленные от нас на 30-40 миллионов лет через Южную Европу и среднюю Азию с запада на восток тянулся обширный океанский бассейн, который на западе сообщался с Атлантическим океаном, а на востоке - с Тихим. Это было соленое море Тетис. К середине третичного периода в результате поднятия и опускания земной коры Тетис отделилось сначала от Тихого океана, а затем и от Атлантического.
В миоцене (от 3 до 7 миллионов лет тому назад) происходят значительные горообразовательные движения, возникают Альпы, Карпаты, Балканы, Кавказские горы. В результате море Тетис сокращается в размерах и делится на ряд солоноватых бассейнов. Один из них Сарматское море - протянулось от нынешней Вены до подножия Тянь-Шаня.
В конце миоцена и начале плиоцена (2-3 миллиона лет тому назад) Сарматский бассейн уменьшается до размеров Меотического моря (бассейна). В плиоцене (1,5-2 миллиона лет тому назад) на месте соленого Меотического моря возникает почти пресное Понтическое озеро-море. В конце плиоцена (менее 1 миллиона лет тому назад) Понтическое озеро-море уменьшалось в размерах до границ Чаудинского озера-моря.
В результате таяния льдов в конце миндельского оледенения (около 400-500 тысяч лет тому назад) Чаудинское море наполняется талыми водами и превращается в Древнеевксинский бассейн. По очертаниям он напоминал современные Черное и Азовское моря.
В период Рисс-Вюрмского межледниковья (100-150 тысяч лет тому назад) образуется так называемый Карангатский бассейн, или Карангатское море.