海洋科学的发展主要经过了三个时期：海洋知识的积累与早期观测研究时期、海洋科学的奠基与形成时期以及现代海洋科学时期。
海洋知识的积累与早期观测研究时期：
18世纪以前人们对海洋的探索可以归为海洋知识的积累与早期观测研究时期。该时期人们对海洋自然现象的认识和探索主要依靠很不充分的观察和简单的逻辑推理。虽然当时只限于直观地、笼统地把握海洋的一些性质，但也提出了不少精彩的见解。如公元1世纪，中国东汉王充曾科学地指出了潮汐运动和月亮运行的对应关系；1768～1779年英国J。库克首先进行环南极航行，并最早进行科学考察，取得了第一批关于大洋表层水温、海流和水深以及珊瑚礁等资料。
海洋科学的奠基与形成时期：
19~20世纪中叶为海洋科学起步的重要阶段。在该时期，对海洋的研究由海洋探险转向更加深入的海洋综合考察。重要的海洋科学考察如1872~1876年，英国挑战者号进行的环球科学考察，在三大洋和南极海域共127,584公里的航程中，进行了492次深海探测，133次海底挖掘，151次开阔水面拖网以及263次连续的水温测定，并发现了约4,717种海洋新物种，被视为现代海洋学研究的真正开始，也使海洋学由地理学领域分化出而逐渐形成独立的科学。许多理论体系也在这段时期完成。如1884年迪特玛证实海水主要溶解成分的恒比关系；1903年桑德斯特朗和海兰-汉森提出深海海流的动力计算方法；1905年埃克曼提出深海漂流理论等。在这个时期，一些专门的海洋研究机构建立。如美国成立史奎普斯海洋研究院（Scripps Institution of Oceanography， University of California at San Diego; SIO/UCSD）；1930年美国成立伍兹霍尔海洋研究所（Woods Hole oceanographic Institute; WHOI）等。
现代海洋科学时期：
19世纪末至今为现代海洋科学时期。 在该时期，政府对海洋研究的投资增加，出现了更先进的科考船与观测设备。如温盐深仪（CTD）、多普勒流速剖面仪（ADCP）、海洋浮标、气象卫星、海洋卫星、底层剖面仪（SBP）、侧扫声纳（SSS）、水下机器人等。许多国际海洋科学组织纷纷成立。如1902年国际海洋考察理事会（ICES）成立，这是第一个国际海洋科学组织；政府间组织以1951年成立的世界气象组织（WMO）、1960年成立的政府间海洋学委员会（IOC，隶属于联合国教科文组织UNESCO）为代表；民间组织有1957年成立的海洋研究科学委员会（SCOR）、1966年成立的国际生物海洋协会（IABO）等。在该时期，国际间的海洋调查研究活动大规模展开。如国际印度洋考察（IIOE，1957-1965）、热带大西洋国际合作调查（ICITA，1963-1964）、热带海洋与全球大气（TOGA，1985-1994）、世界大洋环流实验（WOCE，1999-2000）、全球海洋通量联合研究（JGOFS，1990-2002）、气候变化及其可预测性研究（CLIVAR，1995-2010）等。在这个时期，出现了众多里程碑式的研究结果。如海底热泉、海洋中尺度涡和热盐细微结构的发现与研究、大洋环流理论、海浪谱理论等。