Научное исследование океана началось в XIX в. , а первое серьёзное плавание с научной целью состоялось в 1872–76 гг. на борту специально снаряжённого британского судна «Челленджер» , команда которого состояла из моряков и учёных. Результаты этой океанографической экспедиции во многом обогатили знания человека об океанах и их фауне и флоре.
Для промера глубин океана на «Челленджере» имелись особые лотлини, состоящие из свинцовых шаров весом 91 кг, закреплённых на пеньковом канате. Часто этот метод не обеспечивал нужной точности измерения больших глубин, а опускание лотлиня на дно глубоководного желоба могло длиться несколько часов.
Появление в 1920-е гг. эхолотов позволило определять глубины океана за считанные секунды по времени, истекшему между посылом звукового импульса и приёмом отражённого дном сигнала. Оснащённые эхолотами суда измеряли глубину по ходу следования и получали профиль ложа океана.
Утяжелённые лотлини, использовавшиеся ранее для измерения глубин океана, часто оснащались небольшими грунтовыми трубками для взятия проб грунта со дна океана. Современные пробоотборники имеют больший вес и размеры и могут погружаться в мягкие донные отложения на глубину до 50 метров.
После Второй мировой войны началось интенсивное исследование океана. Открытия 1950-60-х гг. , связанные с породами океанической коры, произвели революцию в науках о Земле. Они доказали относительно молодой возраст океанов и подтвердили, что породившее их движение литосферных плит продолжается и сегодня, медленно изменяя облик Земли. Движение плит вызывает землетрясения и извержения вулканов и приводит к образованию гор.
Продолжается изучение океанической коры. В период 1968–83 гг. судно «Гломар Челленджер» находилось в кругосветном плавании, буря скважины в дне океана и снабжая геологов ценной информацией. В 1980-е гг. эту задачу выполняло судно «Резолюшн» Объединённого океанографического общества глубокого бурения, способное производить подводное бурение на глубине до 8300 м. Данные о донных породах океана обеспечивают и сейсмические исследования: посланные с поверхности воды ударные волны по-разному отражаются от различных слоев породы. В результате учёные получают ценную информацию о структуре пород и возможных месторождениях нефти.
Другие автоматические приборы используются для взятия проб воды, а также измерения температуры и скорости течений на разных глубинах. Важную роль играют искусственные спутники, которые осуществляют мониторинг океанических температур и течений, влияющих на климат Земли. Благодаря этому мы получаем важнейшую информацию об изменении климата и глобальном потеплении. В прибрежных водах аквалангисты без труда ныряют на глубину до 100 м. На большие глубины погружаются, постепенно повышая и сбрасывая давление. Этот метод успешно используют на морских нефтепромыслах и для обнаружения затонувших судов. Он обеспечивает намного больше возможностей при погружении, чем тяжёлые водолазные костюмы или водолазный колокол.
Подводные лодки — идеальное средство для исследования океанов, но большинство этих суден принадлежат военным. Поэтому учёные создали свои аппараты, первые из которых появились в 1930-40-е гг. В 1960 г. швейцарский учёный Жак Пиккар и американский лейтенант Доналд Уолш установили мировой рекорд погружения в самом глубоководном районе мира — во впадине Челленджера (Марианский жёлоб Тихого океана) . На батискафе «Триест» они опустились на глубину 10 917 м и обнаружили в океанских глубинах необычных рыб. Но, вероятно, наиболее впечатляющими в более недавнем прошлом были события, связанные с крошечным батискафом США «Элвин» : в 1985–86 гг. с его помощью изучались обломки «Титаника» на глубине около 4000 м.