Cada año ocurren muchos miles de pequeños derrames de petróleo. Los derrames de petróleo pueden ocurrir debido a negligencia, avería de equipos, desastres naturales o vertidos deliberados. Estos derrames pueden ser devastadores para el medio ambiente y la vida silvestre que rodean el epicentro del derrame. Afortunadamente, las moléculas de aceite son hidrófobas, lo que significa que en su mayoría flotan en la superficie del agua, lo que hace que la limpieza mediante botes sea al menos teóricamente posible.
Cuando ocurren derrames de petróleo, el petróleo permanece concentrado inicialmente, pero comienza a extenderse rápidamente en todas direcciones a medida que pasa el tiempo, produciendo una mancha de petróleo. Si los derrames de petróleo se detectan temprano, se puede utilizar la técnica de limpieza de quemar en el lugar, llamada quema in situ. Este es el método de limpieza más benigno, pero también uno de los métodos que se utilizan con menos frecuencia porque el aceite debe tener un espesor mínimo de 0.12 pulgadas (3 mm) en la superficie del agua para mantener una quemadura autosostenida. Los derrames de petróleo se extienden rápidamente a dimensiones más delgadas.
Una barrera, una especie de corral que flota en la superficie del agua, puede utilizarse para contener derrames de petróleo y aumentar artificialmente su espesor. Se utilizan barreras especiales ignífugas junto con la combustión in situ. Cuando la quema in situ no es factible debido al grosor del derrame, se utilizan barreras para contener el petróleo, de modo que se puedan usar skimmers (botes especiales con plásticos absorbentes de aceite o aspiradoras).
Cuando la limpieza con barreras o skimmers no sea práctica, se pueden usar dispersantes químicos. Los dispersantes químicos se utilizan para descomponer el petróleo perdido y disminuir su impacto en las playas y la vida silvestre acuática.
La limpieza de grandes derrames de petróleo puede resultar muy costosa, decenas o cientos de millones de dólares estadounidenses. Las multas por derrames suelen ser relativamente severas. Cuando un derrame de petróleo se extiende sobre un área grande, forma un brillo, una capa muy delgada de petróleo del color del arco iris en la superficie del agua.
Uno de los derrames de petróleo más grandes de la historia fue el derrame de petróleo del Exxon Valdez en Prince William Sound en Alaska. Aproximadamente el 25% de los 50 millones de galones de petróleo del barco se derramaron, lo que equivale a aproximadamente 125 piscinas de tamaño olímpico, y aproximadamente 250,000 aves murieron a causa del incidente. El evento hizo que el gobierno de los Estados Unidos aumentara aún más el rigor de sus multas y regulaciones destinadas a prevenir los derrames de petróleo. A pesar de esto, todavía ocurren derrames de petróleo; En 2010, una explosión en Deepwater Horizon, una plataforma de perforación en el Golfo de México, provocó un derrame de más de 205 millones de galones, según estimaciones científicas.