ويغوص علماء أحياء المحيطات في البحار يراقبون، ويجرون التجارب على الكائنات البحرية الطبيعية، ويستخدمون السفن التي تعبر المحيطات مزودة بشباك البحار العميقة وأدوات التقاط المحار للإمساك بالكائنات الحية من أجل الدراسة. ويُسجل العلماء غالبًا الظروف مثل درجة حرارة الماء، ومحتوى المياه من الملح والأكسجين، في مناطق مُعينة من المحيط، مستخدمين في ذلك أدوات خاصة تُسقَط من سفن الأبحاث. وتُستخدم آلات تصوير البحار العميقة لرسم خريطة قاع البحار وتحديد مواقع بعض الكائنات. والآن يستخدم العلماء التصوير تحت الماء لعمل سجلات تصويرّية للحياة البحرية عند أعماق سحيقة. وتُستخدم بعض الأجهزة الضوئية الخاصة كي تسجل الحركات الأفقية لمسارات الأسماك.
ويستخدم كثير من علماء الأحياء البحرية معدات الغطس بأجهزة التنفس لإجراء الدراسات تحت الماء خاصة في مياه المناطق الحارة الصافية على امتداد الشعاب المرجانية. ولقد كان مكتشف أعماق البحار الفرنسي جاك إيف كوستو رائدًا في استخدام محطات الأعماق حيث يستطيع الغطاسون أن يعيشوا فترات طويلة نسبيًا لدراسة الحياة البحرية. واستخدمت البحرية الأمريكية في برامجها البحرية، والعلماء في معهد المحيطات بهاواي هذه الطريقة أيضًا. وعلى أية حال، فقد اقتصرت هذه الدراسات على مناطق المحيطات غير العميقة.