Основными источниками загрязнения воздуха, почвы и поверхностных вод в Сахалинской области являются предприятия топливно-энергетической, лесной, рыбной, угольной, строительной промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, автотранспорт.
Наибольшая загрязненность воздуха отмечается в крупных населенных пунктах, самая высокая - в окрестностях города Южно-Сахалинска. Перевод котельных на газ способствовал уменьшению выбросов загрязняющих веществ в атмосферный воздух, однако нерациональная застройка населенных пунктов, не учитывающая условия формирования воздушных потоков, приводит к регулярному воздействию выбросов на центральные районы и жилые массивы при неблагоприятных метеоусловиях.
В результате сброса сточных вод промышленных и сельскохозяйственных предприятий, хозбытовых сточных вод городов и поселков области отмечается загрязнение рек нефтепродуктами, тяжелыми металлами, ухудшение качества рек. Наиболее загрязнены реки Охинка, Большая Александровка, Поронай, Черная, Сусуя, Красносельская, Лютога, Бирюкан. Загрязнение акватории неочищенными стоками, сбросами, отходами и нефтепродуктами приводит к ухудшению качества среды обитания водных и околоводных видов фауны, гибели гидробионтов, в том числе ценных промысловых и редких и находящихся под угрозой исчезновения видов рыб и других водных объектов, снижению биопродуктивности экосистем акваторий и прибрежных наземных экосистем, потере ключевых территорий предмиграционных скоплений, сокращению числа и площади остановочных территорий во время миграций птиц.
В области отмечается загрязнение почв тяжелыми металлами. Основными источниками загрязнения являются предприятия нефтегазодобывающей отрасли, автотранспорта, сельского хозяйства, рыбопереработки, топливно-энергетического комплекса, лечебно-профилактические учреждения, ремонтно-механические предприятия. Загрязнение почв приводит к деградации почв (в том числе засолению), сокращению естественных биотопов, формированию антропогенных ландшафтов с рудеральной растительностью.