Часть Центрального и Восточный (Левантинский) бассейны заполнены осадочными толщами, в том числе мощными продуктами речных выносов, особенно Нила. На дне этих котловин, по данным геофизических исследований, выделены Гелленский глубоководный жёлоб и Центральный Средиземноморский вал — крупный свод высотой до 500—800 м. Вдоль подножия материкового склона Киренаики прослеживается Ливийский жёлоб, очень четко выраженный в рельефе и слабо заполненный осадками. Котловины С. м. очень разные по времени заложения. Значительная часть Восточного (Левантинского) бассейна заложилась в мезозое, Алжиро-Прованского бассейна — с конца олигоцена — начала миоцена, некоторые котловины С. м. — в начале — середине миоцена, плиоцене. В конце миоцена (мессинском веке) на большей части площади С. м. уже существовали неглубокие котловины. Глубина Алжиро-Прованского бассейна во время отложения солей в мессинском веке была около 1—1,5 км. Соли накапливались в результате сильного испарения и концентрации рассола вследствие притока морской воды в замкнутый водоём через пролив, существовавший южнее Гибралтара.
Современные глубины Тирренской впадины образовались в результате опускания дна в течение плиоцена и антропогенового периода (за последние 5 млн. лет); в результате такого же относительно быстрого опускания возникли и некоторые др. котловины. Образование котловин С. м. связывают либо с растяжением (раздвиганием) материковой земной коры, либо с процессами уплотнения земной коры и её проседания. Существует также мнение о реликтовой природе котловин С. м. как остатках древнего океана — Тетиса, в отдельных участках котловин продолжаются процессы геосинклинального развития.
Дно С. м. во многих частях перспективно для поисков месторождений нефти и газа, особенно в области распространения соляных куполов. В шельфовых зонах залежи нефти и газа приурочены к мезозойским и палеогеновым отложениям.
М. В. Муратов.
Климат С. м. определяется его положением в субтропическом поясе и отличается большой спецификой, которая выделяет его в самостоятельный средиземноморский тип климата, характеризующийся мягкой влажной зимой и жарким сухим летом. Зимой над морем устанавливается ложбина пониженного давления атмосферы, что определяет неустойчивую погоду с частыми штормами и обильными осадками; холодные северные ветры понижают температуру воздуха. Развиваются местные ветры: мистраль в районе Лионского залив и бора на В. Адриатического моря. Летом большую часть С. м. охватывает гребень Азорского антициклона, что определяет преобладание ясной погоды с небольшой облачностью и малым количеством осадков. В летние месяцы наблюдаются сухие туманы и пыльная мгла, выносимая из Африки южным ветром сирокко. В Восточном бассейне развиваются устойчивые северные ветры — этезии.
Средняя температура воздуха в январе изменяется от 14—16 °С у южных берегов до 7—10 °С на С., в августе — от 22—24 °С на С. до 25—30 °С в южных районах моря. Испарение с поверхности С. м. достигает 1250 мм в год (3130 км3). Относительная влажность воздуха изменяется от 50—65% летом до 65—80% зимой. Облачность летом 0—3 балла, зимой около 6 баллов. Среднее годовое количество осадков 400 мм (около 1000 км3), оно изменяется от 1100—1300 мм на С.-З. до 50—100 мм на Ю.-В., минимум — в июле — августе, максимум — в декабре. Характерны миражи, которые часто наблюдаются в Мессинском пролив (т. н. фата-моргана).
Гидрологический режим С. м. формируется под влиянием большого испарения и общих климатических условий. Преобладание расхода пресной воды над приходом ведёт к понижению уровня, что является причиной постоянного притока поверхностных менее солёных вод из Атлантического океана и Чёрного моря. В глубинных слоях проливов происходит отток высокосолёных вод, вызванный разностью плотности воды на уровне порогов проливов. Основной водообмен происходит через Гибралтарский пролив (верхнее течение приносит 42,32 тыс. км3 в год атлантические воды, а нижнее — выносит 40, 80 тыс. км3 средиземноморской); через Дарданеллы втекает и вытекает соответственно 350 и 180 км3 воды в год.
Циркуляция вод в С. м. имеет главным образом ветровую природу; она представлена основным, почти зональным Канарским течением, переносящим воды преимущественно атлантического происхождения вдоль Африки, от Гибралтарского пролив до берегов Ливана, и системой циклонических круговоротов в обособленных морях и бассейнах слева от этого течения. Толща вод до глубиной 750—1000 м охвачена однонаправленным по глубине переносом вод, за исключением Левантинского промежуточного противотечения, переносящего левантинские воды от острова Мальта до Гибралтарского пролива вдоль Африки на З. (см. рис.). Скорости установившихся течений в открытой части моря 0,5—1,0 км/ч, в некоторых проливах — 2—4 км/ч. Средняя температура воды на поверхности в феврале понижается с С. на Ю. от 8—12 до 17 °С в восточных и центральных частях и от 11 до 15 °С на З. В августе средняя температура воды изменяется от 19 до 25 °С, на крайнем В. она повышается до 27—30 °С.