北海被认为是陆缘海，即它的整个构造海盆都在大陆（适与大洋性的相反）地壳上。该海盆，在某种程度上，是一个地槽（长条沉积矿床的位置），从前至少有两次褶皱成山脉。每一次，这些山脉都被冲刷走，只留下英格兰与大陆之间的浅盆。大约在2.3亿年前，北海周围的陆地都是沙漠，由于蒸发量大，从北方流入的水有限，形成了巨大的蒸发岩沉积。现在，在北海海底和德国、丹麦发现的盐丘和构造，就是这些蒸发岩的代表。北海海底构造形成的历史，与北海及其邻近国家现正在开发的广阔油田有直接的联系。
当然，北海的海底都属陆架。该海的南半部是水深为40米的海台。海底逐渐向北倾斜，到设得兰群岛以西陆架边缘，水深达183米左右。绕过挪威南端到陆架边缘以外，为一罕见的海峡（挪威海峡），其深度约为600米。一些海洋学家认为该海谷是大陆冰川冲刷形成的。还有其它末次冰期（11000～8000年前）的残迹，那就是海平面低水位和冰川冰碛时遗留下来的河谷状的切割（所谓冰川冰碛，就是当冰川融化时，沉积物在冰川前沿进行堆积）。英国和丹麦之间的多格尔沙洲就是一个例子，其水深仅13米。海底沉积物主要为冰川砾石、沙和粉沙。其中粉沙到处都有，这是由于受流和浪的作用，重新被搬运的缘故。
北海的水环流，同时受北来的大西洋水和东来的波罗的海水的影响，而从南部多佛尔海峡流入的水则非常少。大部分海水来自北大西洋海流，沿奥克尼和设得兰群岛近岸南流。到南部后转为反时针方向，并沿挪威海岸流出，成为波罗的海海流。表层水温，2月为2～7℃，8月为11～17℃。盐度随地区、季节而不同。由于大陆江河（莱茵河、易北河、威悉河、埃姆斯河和斯海尔德河）流入大量淡水，在挪威、丹麦、荷兰和德国等沿岸水域，即使冬季不太冷，也都结冰。而西部，由于入海淡水较少，并受北大西洋海流的影响，即使是严冬也无冰。北海的潮汐较为复杂，因为较小的分潮从多佛尔海峡往北运动，较大的分潮由苏格兰一挪威间的海口进入，并往南传播。潮差，在英格兰沿岸为7米，广大的外海为1.5米。从西北侵袭北海的风暴，往往给岸长6436公里的沿海造成相当大的损失。若这种灾害与风暴潮结合在一起，大浪和高潮同时出现时，对沿岸地区的破坏就更为严重，尤其对荷兰的防护提海岸。
地质史上第三纪时期（距今约6000万年），北海地区缓慢下沉。上新世末（距今约250万年），今天多格浅滩以南的北海海盆原为欧洲大陆的一部分。当时古莱茵河（古泰晤士河等为其支流）在今天伦敦以北400公里处注入北海。第四纪更新世（距今约200万年），经历数次冰盖进退，从泰晤士河口到荷兰海岸一线以北的海盆完全被冰覆盖。约在公元前6000年，冰盖消融、海域扩张，淹没了大不列颠岛与法国之间的陆桥。目前北海轮廓约在3000年以前形成。海域大部分在大陆架上，为一浅海，平均深度为94米，大致南浅北深。苏格兰北部沿岸海域、面积达650平方公里的多格浅滩，由冰川的泥沙沉积构成，水深不到18米。挪威海槽从挪威的卑尔根附近一直延伸到奥斯陆。与岸线平行，宽25～32公里，北部深182米，南部斯卡格拉克海峡深达730米以上。在北海西部也有一些深水海域，如苏格兰爱丁堡沿岸海域有称“魔鬼洞穴”的海穴，深逾457米，这与冰期后河流深切下蚀有关。
海岸线大致以英格兰东海岸的弗兰伯勒角为界分成南北两段：北段险峻岸陡，南段低平和缓。北段的挪威和苏格兰沿岸多悬崖，其中，挪威斯塔万格以北的山地海岸被冰川作用形成的峡湾和陆岬分割，岩交错，峭壁耸立，岸边岛屿众多，为著名的峡湾海岸；苏格兰的东海岸由高地构成,虽成陡崖,并不破碎。在弗兰伯勒角以南，崖岸的高度降低，海岸由易侵蚀的泥砾构成，在海浪的冲击下，海岸线不断后退。东英格兰、比利时、荷兰、联邦德国和丹麦的大部分海岸是低地和沼泽，沿岸多砂丘。因陆地继续下沉，围垦的滩涂需修筑堤坝以防海浸。
在北大西洋暖流的影响下，水温较高、含盐度超过35‰的北大西洋海水通过英吉利海峡和设得兰群岛同挪威之间的海域进入北海；水温和含盐度较低的波罗的海海水通过斯卡格拉克海峡进入北海，形成反时针向环流；泰晤士河、莱菌河和易北河等河流注入大量淡水，与来自波罗的海的海水汇合，使北海的盐度降低,一般在31～35‰之间。2月海面平均水温2～7℃，常年不冻。海潮高度在英国海岸3～7米，联邦德国海岸2～3.5米。
