水下环境的光照条件，决定了其中的生物种类。海水是透明的介质，但是光在其中传播时仍不断被吸收和削弱。因此，只有海洋表面的海水才能享受到阳光带来的温暖。当深度达到200米左右，可见光已经基本被吸收殆尽，200米以上的这一片“光照区”在海洋学中被称为“透光层”。透光层是海洋光合作用的生物的主要聚集区。海洋植物和单细胞生物在这里繁荣生长。这些生命体是海洋中植食动物的食物来源。在透光层下方深度200～500米的区域中，光线非常的微弱。这一区域的光照强度已经低于光合作用发生的临界光强，因此不存在植物和一切靠光来给养的生物。这个区域通常被叫做暮色带或弱光带。深度超过500米的海水中已经不存在任何可见光，这漆黑一片的水域叫做“无光带”。生活于无光带中的动物以上层水域沉降下的生物维持生命，或者干脆上浮到上层水域中去觅食。
尽管大洋区表层海水的光照量充足，但是生活于其中的光合作用生物总量却相对较少。造成这一现象的主要因素是营养物质的缺乏。由于大洋区远离大陆，缺少河流入海口这一持续的营养物质补给源。就营养物质的含量来说，大洋区好像陆地上的沙漠一般贫瘠。
那些富含有机物的海洋动物尸体，是很好的营养物质。然而，它们大都在重力的作用下沉入海底。对于生活在海洋表层透光区的单细胞绿色植物而言，海底的营养物质如天空中的太阳一样可望而不可企及。由于大洋底部的水温非常低，有机物的腐烂和分解过程进行得极为缓慢。尽管有些海域中存在着上升流，能将海底的营养物质带到海平面，但是这种存在上升流的区域极其罕见。在地球上大部分海域中，营养物质被长期禁锢在深深的海底。
溶解于海水中的气体成分，与大气的组成基本相同。其中占比例最大的是氮气（48％），之后依次是氧气（36％）和二氧化碳（15％）。对于海洋生物来说，海水含氧量如同光照程度一样至关重要。含氧量的多少同样决定着该体系中生物的种类。氧气在海水中的溶解度主要取决于温度和盐度，低温和低盐度有利于氧气的溶解。
在漆黑寒冷的深渊带和超深渊带中，生活着许多呼吸氧气的生物。这一事实说明了深海中的氧气并不像人们想象的那样稀少。深海中的氧气是从哪里来的呢？这个问题的答案令人震惊——几乎全球所有深海中的氧气都来自于南北极附近的表层海水。由于南北极常年寒冷的气候，其附近海域的水温非常低。这些溶解了大量氧气的冷水逐渐下沉，为海底生命提供赖以生存的氧气。尽管深海环境中的氧气被海底生命持续地消耗，不过两极冷水下沉这一动态过程还是维持了海底水体中一定的含氧量。
表层海水中的氧气主要来自于空气和海洋植物。大气中的氧气与海面接触而溶于海水。另外，生活在透光层的植物和单细胞绿色生物也通过光合作用向海洋环境中贡献氧气。
我们的星球被大气包裹着，虽然空气的透明让我们常常忽略了它的存在，但是空气是有质量的。地球表面单位面积上的空气质量，就是我们常说的大气压。据测算，海平面上的大气压强为101.325千帕斯卡，简称为1大气压（ATM）。为了方便起见，我们常常将大气压作为压强的单位。相对于气压，海水施加给海洋生物的压力更加可怕。水压随着深度的增加而急剧增大，水深每增加10米，压力就增加一个大气压。因此，深海中生物“奇形怪状”的身体结构，其实是本身抗高压的一种进化。
光在水中的传播光是一种能量，以波的方式进行传播。太阳光照射到地球上，是白色的。白光是由彩虹的颜色混合而成：紫色、靛青、蓝色、绿色、黄色、橙色和红色。光的颜色取决于光波的波长。可见光光谱包括人眼能看到的所有色彩，这些光的波长范围在0.4～0.8微米之间（一微米等于百万分之一米）。可见光中，紫光波长最短，而红光波长最长。
空气和水对光的作用不同。空气只能传播光，而水不仅能传播光，还能吸收和反射光线，这些作用取决于水的深度和容量。光能在水中传播，使得光合作用能够在水下进行。不过，可见光中，不同波长的光在水中的传播距离不尽相同。蓝光传播的距离最长，而红光传播的距离最短。正是由于这个原因，水中没有杂质的情况下，蓝光穿透的距离最长，水就呈现出碧蓝的颜色。
光谱中红光那一端的光能够被水迅速吸收，而且红光在水中传播的距离短，只能传播15米。这就解释了为什么海洋表层海水比海洋深处海水的温度要高。绿光位于光谱的中间位置，比红光传播的距离远，不过绿光常常会被悬浮在水中的微粒反射回去。所以，如果水中悬浮颗粒物很多，比如悬浮着大量的泥土颗粒或者植物微粒，那么，这样的水往往呈现褐绿色。