海の「色」は、入射光と水中に存在する物質や粒子との相互作用によって決まります。 白い太陽光は、波長（約400～700nm）のスペクトルから成り立っていますが、水滴はそれを分散させて「虹色」の連続スペクトルを作り出します。
水面に光が当たると、さまざまな色が吸収、透過、散乱、反射され、その強度は、海洋の上層部（表層部）に浮遊する水分子やその他の光学活性成分によって異なります。 真昼の晴天時に外洋の海が青く見えるのは、光の吸収と散乱によるものである。 青の波長は、空の青い光が散乱するのと同じように散らばっているが、透明度の高い海洋水では、散乱よりも吸収の方がはるかに大きい。 水中では赤に吸収が強く、青に吸収が弱いため、海の中では赤はすぐに吸収され、青が残ります。 海に入ってきた太陽光は、海岸付近を除いてほとんどが吸収されてしまう。
海に入射した太陽光は、一部は直接反射されますが、大部分は海面を透過し、そこにある水分子と相互作用します。 赤、橙、黄、緑などの波長が吸収され、残った光は青や紫などの短い波長の光になります。 沿岸部では、河川からの流出物、潮汐や波浪、暴風雨による海底の砂やシルトの再浮遊など、さまざまな物質が沿岸付近の水の色を変化させます。 また、粒子の種類によっては、特定の波長の光を吸収する物質が含まれていることがあり、それによって粒子の特性が変化します。 例えば、植物プランクトンと呼ばれる微細な海藻は、クロロフィルなどの特定の色素によって、青や赤の波長の光を吸収する能力を持っている。 そのため、水中の植物プランクトンの濃度が高くなると、水の色は緑色に変化します。
海の中で最も重要な光吸収物質は、植物プランクトンが光合成によって炭素を作り出すために使用するクロロフィルである。 クロロフィルは緑色の色素で、植物プランクトンは光のスペクトルの赤と青の部分を優先的に吸収し、緑の光を反射する。 植物プランクトンの多い海域では、植物プランクトンの種類や密度に応じて青〜緑の色調が変化する。 宇宙から海の色をリモートセンシングする基本原理は、植物プランクトンが多いほど緑になるというものだ。
水中に溶けている物質の中にも光を吸収するものがある。 これらの物質は通常、有機炭素で構成されているため、研究者は一般的に「着色溶存有機物」と呼んでいます。