Cũng như đa số vùng biển ở Việt Nam, môi trường tại biển huyện Tĩnh Gia chưa được quan tâm và bảo vệ. Phần lớn nước thải ở khu vực nhà nghỉ, khách sạn, dân cư ven biển là thải trực tiếp ra biển. Ở những khu biển du lịch như bãi Hải Hòa, Nghi Sơn, rác thải do khách du lịch và người dân có nhưng không nhiều, cũng chưa được đầu tư các thùng đựng rác và khu xử lý rác thải. Đặc biệt tại những bãi biển chủ yếu làm nghề đánh cá như Hải Thanh, Hải Ninh, Hải Bình do ý thức người dân còn kém, chưa có nơi tập kết rác nên hấu như rác được chất đống ven bờ biển. Không những vậy, các khu chế biển thủy hải sản và các doanh nghiệp vừa và nhỏ còn chưa ý thức được vấn đề môi trường, vẫn trực tiếp xả nước và rác chưa qua xử lý xuống biển, Đây là vấn đề đã được phản ánh nhiều nhưng vẫn chưa thấy được sự thay đổi và các biện pháp cứng rắn xử phạt, răn đe.
Ngày 5-6/9/2016, ngư dân xã Tĩnh Hải khi đánh bắt hải sản tại vùng biển gần bờ (gần khu vực dự án nhà máy lọc hóa dầu Nghi Sơn) đã phát hiện một số loài hải sản như cá bơn, cá thèn, ghẹ… chết bất thường và trôi dạt vào bờ biển. Kết quả xét nghiệm cho thấy cá chết ở đây không liên quan đến dịch bệnh. Tuy nhiên, chỉ tiêu amoniac (NH3) và chỉ tiêu COD (lượng ôxy cần để ôxy hóa hết các chất vô cơ, hữu cơ có trong nước biển) vượt chỉ tiêu cho phép. Theo kết quả xét nghiệm mẫu nước tại vùng biển Tĩnh Hải (khu vực phát hiện cá tự nhiên chết) thì 7 mẫu nước có COD đo được đều vượt ngưỡng cho phép trong nuôi trồng thủy sản từ 2,45-5,29 lần; đặc biệt mẫu nước biển tại xã đảo Nghi Sơn có 2 mẫu có COD vượt ngưỡng cho phép từ 3,05-4,49 lần và
chỉ tiêu amoniac (NH3) vượt ngưỡng cho phép trong nuôi trồng thủy sản từ 10,8-32,8 lần. Các chỉ tiêu khác như cyanua, sulfua đều nằm trong ngưỡng cho phép. Trước đó, ngay sau khi sự việc cá chết bất thường xảy ra, trên cơ sở kết quả phân tích của Sở TN-MT, UBND tỉnh Thanh Hóa kết luận: “Bước đầu có thể xác định nguyên nhân gây nên tình trạng cá tự nhiên và cá nuôi lồng bị chết là do tác động của loài tảo Hairoi - Creratium furca trong nước biển bùng phát với mật độ cao, ở quy mô rộng hay còn gọi là tảo nở hoa”.