從古代到18世紀末是海洋知識的積累時期，也是海洋學萌芽時期。
在科學不發達的古代，人們對海洋自然現象的認識和探索，主要依靠很不充分的觀察和簡單的邏輯推理。雖然當時只限於直觀地、籠統地把握海洋的壹些性質，但也提出了不少精彩的見解。例如，公元前7～前6世紀古希臘的泰勒斯認為，水是萬物的本源，而大地則浮在浩瀚無際的海洋之中。公元前11～前6世紀中國的《詩經》中，已有江河“朝宗於海”的記載。公元前四世紀，古希臘思想家中知識最淵博的亞裏士多德在《動物誌》中，已描述和記載170多種愛琴海的動物。公元壹世紀，中國東漢王充曾科學地指出了潮汐運動和月亮運行的對應關系。
從15世紀到18世紀末，自然科學和航海事業的發展，促進了海洋知識的積累。這時的海洋知識以遠航探險等活動所記述的全球海陸分布和海洋自然地理概況為主。
1405～1433年中國明朝鄭和率領船隊七次橫渡印度洋；1492～1504年意大利航海家哥倫布4次橫渡大西洋，並到達美洲；1519～1522年葡萄牙航海家麥哲倫等完成了人類歷史上第壹次環球航行；1768～1779年英國庫克在海洋探險中最早進行科學考察，取得了第壹批關於大洋表層水溫、海流和誨深以及珊瑚礁等資料。
這些活動和成果，不僅使人們弄清了地球的形狀和海陸分布的大體形勢，而且直接推動了近代自然科學的發展，為海洋學各個主要分支學科的形成奠定了基礎。如1670年英國玻意耳研究海水含鹽量和海水密度的變化關系，開創了海洋化學研究；1674年荷蘭列文虎克在荷蘭海域最先發現原生動物；1687年，英國牛頓用引力定律解釋潮汐，奠定了潮汐研究的科學基礎；1740年瑞士科學家貝努利提出潮汐靜力學理論；1772年法國拉瓦錫首先測定海水成分；1775年法國拉普拉斯首創大洋潮汐動力學理論，等等。
19世紀初到20世紀中，機器大工業的產生和發展，有力地促進了海洋學的建立和發展。
英國科學家、生物進化論的創始人達爾文在 1831～1836年隨“貝格爾”號環球航行，對海洋生物、珊瑚礁進行了大量研究，於1842年出版《珊瑚礁的構造和分布》，提出了珊瑚礁成因的沈降說；於1859年出版《物種起源》，建立了生物進化理論。
英國生物學家福布斯在19世紀40、50年代提出了海洋生物分布分帶的概念，出版了第壹幅海產生物分布圖和海洋生態學的經典著作《歐洲海的自然史》。美國學者莫裏為海洋學的建立作出了更為顯著的貢獻，其1855年出版的《海洋自然地理學》被譽為近代海洋學的第壹本經典著作。
1872～1876年，英國“挑戰者”號考察被認為是現代海洋學研究的真正開始。“挑戰者”號在12萬多公裏航程中，作了多學科綜合性的海洋觀測，在海洋氣象、海流、水溫、海水化學成分、海洋生物和海底沈積物等方面取得大量成果，使海洋學從傳統的自然地理學領域中分化出來，逐漸形成獨立的學科。
1925～1927年，德國“流星”號在南大西洋的科學考察，第壹次采用電子回聲測深法，測得七萬多個海洋深度數據等資料，揭示了大洋底部並不是平坦的，它像陸地地貌壹樣變化多端。同時，海洋物理學、海洋化學、海洋地質學和海洋生物學等各基礎分支學科的研究也取得顯著進展，發現和證實了壹些海洋自然規律。
1957年，海洋研究科學委員會(SCOR)和1960年政府間海洋學委員會(IOC)的成立，促進了海洋科學的迅速發展。美國的深潛器“的裏雅斯特2”號1960年曾深潛到10919米的海洋深處，美國核潛艇“鸚鵡螺”號1950年從冰下穿越北極，表明海洋的任何部分都能為人類所征服。但是，1963年美國潛艇“脫粒機”號和1960年“蠍子”號失事，全體乘員喪生，又從反面證明海洋環境仍然是難以掌握的。事實上，從技術的角度來說，人類要在深海海底上行走比在月球上漫步還要困難。
現代海洋學對於具體的海洋自然現象或特定海區的研究，普遍地從傳統的靜態定性描述和簡單的因果分析向著動態定量分析發展，重視基礎理論、現場實驗和功能模擬研究。
海洋科學各分支學科之間、海洋科學和相鄰基礎科學之間的相互結合、相互滲透，並逐步形成了壹系列跨學科的有高度綜合性的研究課題。例如，海洋-大氣相互作用和長期氣候預報、海洋生態系統、海洋中的物質循環和轉化、洋底構造以及有關海洋與地球的起源，海洋生命起源這樣壹些根本問題。
深海鉆探和海洋地球物理探測技術的發展，使海洋科學(特別是海洋地質學)以及地球科學的研究方法和理論出現新的突破。例如，被譽為20世紀地球科學最重大成就之壹的板塊構造理論，主要就是通過對海洋地質和地球物理探測成果的研究建立起來的。
20世紀60年代以來海洋科學中所有的重大進展都同新的觀測儀器、研究手段和方法的研制成功，以及廣泛而密切的國際合作有關。例如，卓有成效的海洋觀測，數據傳輸、處理系統的應用，航天遙感、遙測技術和水聲技術的應用，國際地球物理年、國際印度洋考察、黑潮及鄰近水域的合作研究、國際海洋考察十年、全球大氣研究計劃大西洋熱帶實驗、深海鉆探計劃，以及世界(海洋科學)資料中心的建立等國際性海洋科學合作研究。