海洋地震勘探是利用在海水中人工激发的地震波向下传播时，遇到不同速度、密度的地层分界面就会产生反射波或折射波返回海水中，用专门的仪器可记录这些地震波，分析它的传播时间、振动幅度与形状等规律，从而推断地下岩石性质、地层结构。通过专门的计算程序处理，能较准确地测定地壳中地层界面的深度和形态，判断地层的岩性和结构。海洋地震勘探对海洋地质做透视与医学上给病人做透视原理是相同的。
根据震源产生的形式可分为天然地震和人工地震两大类。海洋天然地震勘探，是通过布设在岛屿上或海底的地震台站，观测天然地震所产生的体波、面波和微震来研究海洋底部的构造活动、地壳厚度和低速层的展布等。海洋人工地震勘探，是利用震源（炸药或其他）激发地震波，观测来自不同波阻抗差界面上的反射或折射波，该方法主要用来研究地壳深部界面和上地幔的结构。它要求有强大的低频震源（例如使用大炸药量爆炸或使用大容积的空气枪激发），在运动中连续激发地震波，而在相当的距离之外观测地壳深部界面上的折射波和广角反射波。至于浅层折射，除利用声呐浮标获取沉积层中速度资料之外，现已很少使用。反射波法在近海油气勘探中获得广泛的应用。
早期的海洋地震勘探资料采集是采用TNT炸药爆炸激发地震波的方式，它存在着污染海洋环境、伤害海洋生物，且施工效率低、安全隐患大的问题。1964年，美国BOLT公司发明了气枪震源，它通过电磁阀控制瞬间释放枪膛内的高压气体，在海水中产生的气泡振荡形成地震波。它具有操作容易、施工效率高、安全，以及保护海洋环境，对海洋生物无害的优点，成为海洋地震的主流震源。
现代海洋地震勘探广泛采用组合空气枪作为震源，用等浮组合电缆装置在水下接收地震波，通过数字地震仪将地震波记录于磁带上。这样不仅能够在观测船行进中实现快速和高效率的共深点反射的连续观测，而且能够使用电子计算机充分利用所获取的地震信息，精确地查明沉积岩不同层位的产状、构造及其岩性，以阐明沉积盆地及其中的局部构造和沉积环境，甚至给出烃类显示，为直接寻找油气提供依据。
海洋地震勘探可以分为二维地震、三维地震和四维地震勘探。
二维地震勘探是一条“线”的探测，得到的是一条测线的地震剖面，只能对测线之下的地层结构进行分析解译。三维地震勘探是一个“面”的探测，由地震船拖曳由多条等间距平行布放的电缆同时接收同一震源激发的地震反射信号，成像处理后得到的是三维空间上的数据体剖面，能够对一个勘探区域的地层结构进行整体分析解译，它比二维地震探测更精确、更直观。四维地震勘探就是在三维地震的基础上增加了时间维度的探测，即对相同的探测区域，在不同的时间上进行重复三维地震观测。四维地震勘探主要应用在油气田的开发阶段，油气开发工程师们通过对不同开发阶段的三维地震探测成像结果对比，分析剩余油气的分布状况与油气运移特征，制订下一步有针对性的开发方案。
在深水进行地震勘探时，为了消除水深对地震声波的影响，一般会使用海底地震仪，也就是直接将检波器放置于海底，海底地震仪可用于超万米的水深，探测深度可达30千米以上。
海底地震仪是一种放置于海底的地震数据采集系统，可用于记录天然地震事件和人工地震勘探，广泛应用于油气勘探、地球深部结构探测等领域。按照记录信号源频率的不同，海底地震仪可以分为短周期和长周期。短周期海底地震仪用于对海洋人工地震剖面的探测（人工源探测），探查海洋地壳和地幔的速度结构及板块俯冲带、海沟、海槽演化的动力学特征等；长周期海底地震仪用于观测天然地震（被动源探测），等同于在海底布设流动地震台站，研究天然地震的地震层析成像以及地震活动性和地震预报等。