早在19世紀初，就有人用透明度盤目測自然光在海中的鉛直衰減。從19世紀末開始，海洋學家才比較注意研究海洋的光學性質，并結合海洋初級生產力的研究，用光電方法測量海洋的輻照度。到了20世紀30年代，瑞典等國的科學家設計制造了測定海水的線性衰減系數、體積散射系數和光輻射場分布的海洋光學儀器，進行了一系列現場測量。

從第二次世界大戰后到60年代中期，是海洋光學的發展時期：1947～1948年，瑞典科學家在環球深海調查中（“信天翁”號），首次將海洋光學調查列入重要的海洋調查計劃，測量了輻照度、衰減和散射等；1950～1952年，丹麥人在環球深海調查中，致力研究了重要海區的初級生產力和光輻照之間的關系；1957～1958年，在國際地球物理年(IGY)的調查中，測量了北大西洋的水文要素和光學參數，并研究其相互的關系；美國、蘇聯、法國等國，相繼建立了實驗基地，詳盡研究了海水固有光學性質和海洋表觀光學性質之間的關系；美國R.W.普賴森多費爾提出了比較系統的海洋光學理論，發展了海洋輻射傳遞理論；一些學者對水中能見度理論、海洋光學測量模型、光輻射場與海水固有光學性質之間的關系，進行了比較系統的研究。60年代中期以后，隨著近代光學、激光、計算機科學、光學遙感和海洋科學的發展，海洋光學得到了進一步的發展，特別是結合信息傳遞的要求，用蒙特卡羅方法較好地解決了激光在水中的傳輸、海面向上光輻射與海水固有光學性質之間的關系等問題，使海洋光學從傳統的唯象研究轉入物理的和技術的研究。