לאזורים מסוימים בים התיכון ניתנו שמות שונים. הים הליגורי ממוקם מצפון לקורסיקה, הים הטירני ממוקם בין סרדיניה, סיציליה ואיטליה, הים האדריאטי ממוקם בין החוף המזרחי של איטליה לבין החוף הדלמטי, הים היוני ממוקם בין איטליה ליוון, הים האגאי ממוקם בין יוון לטורקיה, ים כרתים ממוקם מצפון לכרתים וים מרמרה ממוקם בין הים התיכון לבין הים השחור.
רכס הרים תת-ימי המשתרע בין סיציליה לבין תוניסיה מחלק את הים התיכון במרכזו לאגן מזרחי ולאגן מערבי, קיימים מספר הבדלים בין אגנים אלה.
באגן המזרחי האקלים חם יותר מאשר באגן המערבי. בחופי ישראל, השוכנת באגן המזרחי, טמפרטורות פני הים בקיץ עשויות להגיע ל -31°C ובחורף לרדת ל-16°C, ואילו באגן המערבי הן מגיעות ל-26° בממוצע בקיץ ויורדות בממוצע ל-11°C בחורף.
באגן המערבי המליחות היא 3.5% ובחופי ישראל היא 3.9%.
קיימות מערכות זרמים נפרדות בכל אגן. הזרם באגן המערבי נע ממצר גיברלטר לאורך חופי צפון אפריקה מסביב לקורסיקה והאיים הבליאריים ובחזרה לגיברלטר. אף שהמים בזרם שבאגן המערבי מגיעים מהאוקיינוס האטלנטי, הרדידות של מצר גיברלטר (כ-800 מטרים) מאפשרת מעבר של מים עליונים בלבד, אשר דלים בחומרים מזינים (nutrients).
הזרם באגן המזרחי של הים התיכון איטי יותר ונע כנגד כיוון השעון לאורך חופי לוב, מצרים, ישראל, לבנון, סוריה, טורקיה ויוון. באגן המזרחי כמעט שאין זרמים אנכיים ועקב כך אין ערבוב בין שכבת המים העליונה לשכבת המים התחתונה.
החומרים האורגניים, שמקורם בתמותת בעלי חיים ימיים וכן מסחף המגיע מהנהרות המעטים שבאזור, שוקעים לקרקעית ובהיעדרם נבלמת התפתחות האצות המיקרוסקופיות (ננופלנקטון) המהוות את הבסיס לשרשרת המזון.
רייאן (W.B. Ryan), במאמרו על הים התיכון באנציקלופדית האוקיינוגרפיה כותב: "הים התיכון הוא גוף המים העני, הגדול ביותר על-פני כדור-הארץ".
כמות האצות המועטה שבו היא הגורם לכמות הדגים הדלה באגן המזרחי של הים התיכון, אם כי קיימים גם בו הבדלים בין אזורים.
האזור הדרום-מזרחי שבין תל אביב לפורט סעיד היה מושפע מהטין והמינרלים שנסחפו במימי הנילוס. זו הסיבה שמתל אביב דרומה משתרע שטח של מים לא עמוקים ההולך ומתרחב כלפי דרום. כך למשל מול נהריה, במרחק של 8 ק"מ מהחוף, עומק הים הוא 55 מטר, מול תל אביב 45 מטר ומול עזה 31 מטר. המצב השתנה החל בשנת 1971 עת הושלם סכר אסואן. מאז שוקע רוב הסחף באגם נאצר שמדרום לסכר.
האזור הצפון-מזרחי של הים התיכון נהנה ממי נהרות האיתן שמקורם בהפשרת שלגים מהרי הטאורוס באנטוליה שבטורקיה. מי נהרות אלה מביאים סחף ועשירים בחומרים מזינים ולכן כמות הדגה באזור זה גדולה יחסית.
הים מול חופי ישראל עני במיוחד בדגה שכן כמות הגשמים היורדים בארץ קטנה ומרוכזת בעונה קצרה, ולכן כמות המים העשירים בחומרים המזינים הזורמים אל הים היא מועטה. סערות החורף הן גורם מרכזי נוסף לגידול בכמות האצות. הסערה גורמת לגריפת חומרים מזינים מקרקעית הים באזור המדף היבשתי ולכן לאחר שהסערה שוככת, מופיעה פריחה משמעותית של אצות והים מקבל גוון ירוק.
