Die „Farbe“ des Ozeans wird durch die Wechselwirkungen des einfallenden Lichts mit den im Wasser vorhandenen Substanzen oder Partikeln bestimmt. Weißes Sonnenlicht besteht aus einem Spektrum von Wellenlängen (ca. 400-700 nm), die von Wassertröpfchen in ein kontinuierliches Spektrum von „Regenbogen“-Farben aufgelöst werden. Große Mengen Wasser, selbst in einem Schwimmbad, würden ebenfalls blau erscheinen.
Wenn Licht auf die Wasseroberfläche scheint, werden die verschiedenen Farben in unterschiedlicher Intensität von Wassermolekülen und anderen so genannten optisch aktiven Bestandteilen in der oberen Schicht (der so genannten epipelagischen oder photischen Zone) des Ozeans absorbiert, übertragen, gestreut oder reflektiert. Der Grund dafür, dass die Gewässer des offenen Ozeans unter klaren Bedingungen zur Mittagszeit blau erscheinen, liegt in der Absorption und Streuung des Lichts. Die Wellenlängen des blauen Lichts werden gestreut, ähnlich wie bei der Streuung des blauen Lichts am Himmel, aber die Absorption ist ein viel größerer Faktor als die Streuung für das klare Ozeanwasser. Im Wasser ist die Absorption im Roten stark und im Blauen schwach, so dass Rot im Ozean schnell absorbiert wird und Blau übrig bleibt. Fast das gesamte Sonnenlicht, das in den Ozean gelangt, wird absorbiert, außer in Küstennähe. Die Wellenlängen von Rot, Gelb und Grün werden von den Wassermolekülen im Ozean absorbiert.
Wenn Sonnenlicht auf den Ozean trifft, wird ein Teil des Lichts direkt zurück reflektiert, aber der größte Teil des Lichts durchdringt die Meeresoberfläche und interagiert mit den Wassermolekülen, auf die es trifft. Die Wellenlängen von Rot, Orange, Gelb und Grün werden absorbiert, und so besteht das verbleibende Licht, das wir sehen, aus den kürzeren Wellenlängen von Blau und Violett.
Alle Partikel, die im Wasser schweben, erhöhen die Streuung des Lichts. In Küstengebieten können Abflüsse aus Flüssen, die Resuspension von Sand und Schlick vom Boden durch Gezeiten, Wellen und Stürme sowie eine Reihe anderer Substanzen die Farbe des küstennahen Wassers verändern. Einige Arten von Partikeln können auch Substanzen enthalten, die bestimmte Wellenlängen des Lichts absorbieren, wodurch sich ihre Eigenschaften verändern. Zum Beispiel haben mikroskopisch kleine Meeresalgen, Phytoplankton genannt, die Fähigkeit, Licht im blauen und roten Bereich des Spektrums zu absorbieren, und zwar aufgrund spezifischer Pigmente wie Chlorophyll. Dementsprechend verschiebt sich die Farbe des Wassers in Richtung des grünen Teils des Spektrums, wenn die Konzentration von Phytoplankton im Wasser zunimmt. Feine mineralische Partikel wie Sediment absorbieren Licht im blauen Teil des Spektrums, wodurch sich das Wasser bei massiver Sedimentbelastung bräunlich verfärbt.
Die wichtigste lichtabsorbierende Substanz in den Ozeanen ist Chlorophyll, mit dem Phytoplankton durch Photosynthese Kohlenstoff produziert. Chlorophyll, ein grünes Pigment, sorgt dafür, dass Phytoplankton bevorzugt die roten und blauen Anteile des Lichtspektrums absorbiert und grünes Licht reflektiert. Ozeanregionen mit hohen Konzentrationen von Phytoplankton weisen je nach Art und Dichte der dortigen Phytoplanktonpopulation blaugrüne Farbtöne auf. Das Grundprinzip hinter der Fernerkundung der Ozeanfarbe aus dem Weltraum ist, dass das Wasser umso grüner ist, je mehr Phytoplankton sich im Wasser befindet.
Es gibt noch andere Substanzen, die im Wasser gelöst vorkommen und ebenfalls Licht absorbieren können. Da die Substanzen in der Regel aus organischem Kohlenstoff bestehen, bezeichnen Forscher sie im Allgemeinen als farbige gelöste organische Stoffe.