Die Wassertemperatur der Nordsee schwankt je nach Jahreszeit zwischen 1° Celsius im Winter und durchschnittlich 18° Celsius im Sommer. Dies ist im Wesentlichen abhängig von der jeweiligen Wassertiefe und dem direkten Einfluß der Temperaturen des Atlantischen Ozeans. So beträgt die Wassertemperatur südöstlich der britischen Shetland-Inseln, also im nördlichen und relativ tiefen Bereich der Nordsee, fast immer 10° Celsius. Hingegen kann es an den flacheren Küstenbereichen auch zu über 20° Celsius reichen. Normalerweise kommt es durch die ständigen Atlantikströmungen kaum zu Eisbildungen in der Nordsee, wenngleich es in den ruhigen Gewässern in Landnähe je nach Wind- und Wetterverhältnissen durchaus schonmal etwas eisig werden kann.
Das Nordseewasser fließt im sogenannten Norwegischen Strom, der sich entlang der Küstenlinien von Dänemark und Norwegen in einer Tiefe von 50 bis 100 Metern bewegt, zurück in den Atlantik. Der Austausch des gesamten Wassers der Nordsee dauert dadurch zwischen ein und zwei Jahren.
Der Salzgehalt der Nordsee ist je nach Bereich stark schwankend. So enthält das Meer an den Mündungsgebieten der großen Flüsse lediglich zwischen 15 und 25 Promille. Ansonsten sind rund 30 Promille ein durchschnittlicher Wert. Der höchste Saltgehalt ist mit bis zu 35 Promille im Norden der See vorhanden. In jedem Fall ist dies aber immer auch von der Jahreszeit abhängig.
Das Salzwasser wird hauptsächlich durch die Einströmungen des Atlantischen Ozeans gewährleistet. Entweder durch den Ärmelkanal und die Straße von Dover im Südwesten oder über das Europäische Nordmeer im Norden der Nordsee. Jedoch erhält das Meer auch durch zahlreiche Flüsse einen großen Süßwassergehalt. Die Zuflüsse- und ströme, die direkt in die Nordsee münden, entwässern knapp 841.500 Quadratkilometer auf dem Kontinent und in Großbritannien und liefern damit im Schnitt 326 Kubikkilometer jährlich. Durch Kattegat und Skagerrak enthält die Nordsee durch die Ostseezuflüsse/-ströme hingegen ungefähr 470 Kubikkilometer Frischwasser pro Jahr.
Zu den größten Zuflüssen bzw. Strömen, die direkt in die Nordsee münden, zählen Rhein und Maas (NL, 2524 m³/Sek.), Elbe (D, 856 m³/Sek.), Glomma (N, 603 m³/Sek.), Ijsselmeer (NL) 555 m³/Sek.), Weser (D, 358 m³/Sek.), Schelde (B/NL, 126 m³/Sek.), Ems (D, 88 m³/Sek.) und Themse (GB, 76 m³/Sek.).
Ebbe und Flut an den Küsten werden durch die Gezeitenwelle des Nordatlantiks gesteuert. Die Nordsee selbst ist aufgrund ihrer relativ geringen Größe und der vergleichsweise niedrigen Wassertiefe nicht in der Lage, Gezeitenströme zu verursachen.
Etwa alle 12 Stunden und 25 Minuten ändern sich die Gezeiten. Der Tidenhub ist je nach Region unterschiedlich. Am größten ist er mit 6,80 Metern in der Wash vor der Küste Englands, am niedrigsten mit weniger als 0,50 Metern im Süden Norwegens. Im Bereich der deutschen Nordseeküste beträgt er zwischen 2,90 und 4,10 Metern. Je nach Wasserstand der Zuflüsse und -ströme zur Nordsee kann der Tidenhub in deren Mündungsgebieten auch deutlich unterschiedlicher ausfallen.
