海上溢油事故一旦发生，必须采取措施进行处理，主要方法包括物理处理法、化学处理法和生化处理法。
物理处理法主要去除含油污水中的矿物质和大部分固体悬浮物、油类等，常采用的手段有围油栏、撇油器和吸油材料等。石油泄漏到海面后，应首先用围油栏将其围住，阻止其在海面扩散，然后再设法回收。撇油器能将浮在水面的油污直接收集起来。此外，还可使用亲油性的吸油材料，使溢油粘在其表面而被吸附回收。新型的磁性物质颗粒也被用于清油，由于对海洋环境和水质均没有影响，其为清除海洋石油和汽油污染开辟了新途径。
化学处理法主要应用于物理处理法难以清除的油类乳化物，能够改变油类物质的物理化学性质，可以直接应用于溢油处理，也可以作为物理处理法的后续处理。常用的化学处理法包括化学破乳法、化学氧化法、分散剂法等。但不容忽视的是，化学处理法往往由于化学药剂的投加而造成海洋的二次污染，因此在喷洒化学药剂的同时，还应结合物理方法，如抽吸机、水栅和撇沫器等，还可以用油缆阻挡石油扩散。对于收集上来的污水，需要继续采用生化处理法，将废水中的有机物进行降解，进一步净化废水。德国的科学家曾破译了一种能吞噬石油的单细胞细菌的基因，利用这种细菌可以更好地解决海洋石油污染问题。