Cuando la luz brilla en la superficie del agua, los diferentes colores son absorbidos, transmitidos, dispersados o reflejados en diferentes intensidades por las moléculas de agua y otros componentes llamados ópticamente activos en suspensión en la capa superior (llamada zona epipelágica o fótica) del océano. La razón por la que las aguas del océano abierto parecen azules en condiciones de claridad a mediodía se debe a la absorción y dispersión de la luz. Las longitudes de onda del azul se dispersan, de forma similar a la dispersión de la luz azul en el cielo, pero la absorción es un factor mucho mayor que la dispersión para el agua clara del océano. En el agua, la absorción es fuerte en el rojo y débil en el azul, por lo que el rojo se absorbe rápidamente en el océano, dejando el azul. Casi toda la luz solar que entra en el océano es absorbida, excepto muy cerca de la costa. Las longitudes de onda del rojo, el amarillo y el verde son absorbidas por las moléculas de agua del océano.

Cuando la luz solar incide en el océano, parte de la luz se refleja directamente, pero la mayor parte penetra en la superficie del océano e interactúa con las moléculas de agua que encuentra. Las longitudes de onda del rojo, el naranja, el amarillo y el verde son absorbidas, por lo que la luz restante que vemos está compuesta por las longitudes de onda más cortas de los azules y los violetas.

Cualquier partícula suspendida en el agua aumentará la dispersión de la luz. En las zonas costeras, la escorrentía de los ríos; la resuspensión de arena y limo del fondo por las mareas, las olas y las tormentas; y una serie de otras sustancias pueden cambiar el color de las aguas cercanas a la costa. Algunos tipos de partículas también pueden contener sustancias que absorben determinadas longitudes de onda de la luz, lo que altera sus características. Por ejemplo, las algas marinas microscópicas, llamadas fitoplancton, tienen la capacidad de absorber la luz en la región azul y roja del espectro, debido a pigmentos específicos como la clorofila. En consecuencia, a medida que aumenta la concentración de fitoplancton en el agua, el color de ésta se desplaza hacia la parte verde del espectro. Las partículas minerales finas, como los sedimentos, absorben la luz en la parte azul del espectro, lo que hace que el agua se vuelva marrón si hay una carga masiva de sedimentos.

La sustancia que más luz absorbe en los océanos es la clorofila, que el fitoplancton utiliza para producir carbono mediante la fotosíntesis. La clorofila, un pigmento verde, hace que el fitoplancton absorba preferentemente las porciones roja y azul del espectro luminoso y refleje la luz verde. Las regiones oceánicas con altas concentraciones de fitoplancton tienen tonalidades de azul-verde según el tipo y la densidad de la población de fitoplancton que haya. El principio básico en el que se basa la teledetección del color de los océanos desde el espacio es que cuanto más fitoplancton hay en el agua, más verde es.

Hay otras sustancias que pueden encontrarse disueltas en el agua que también pueden absorber la luz. Como estas sustancias suelen estar compuestas de carbono orgánico, los investigadores suelen denominarlas materia orgánica disuelta coloreada.