Η μελέτη των φυσικών ιδιοτήτων του ωκεανού και των διεργασιών που διέπουν την κίνησή του ονομάζεται φυσική ωκεανογραφία. Περιλαμβάνει τα ρεύματα, τα κύματα, τις παλίρροιες, τις αναταράξεις, την κατανομή της θερμοκρασίας και της αλατότητας, καθώς και την ανταλλαγή θερμότητας και ορμής με την ατμόσφαιρα.

Οι φυσικοί ωκεανογράφοι χρησιμοποιούν ένα μείγμα θεωρίας, παρατηρήσεων και αριθμητικών μοντέλων. Οι παρατηρήσεις προέρχονται από δορυφόρους, πλωτά σκάφη Argo, αγκυροβόλια, ερευνητικά πλοία και παράκτια ραντάρ. Οι στόχοι περιλαμβάνουν την κατανόηση των παραγόντων που καθορίζουν την κυκλοφορία του ωκεανού, τον τρόπο με τον οποίο μεταφέρεται η θερμότητα προς τους πόλους, τον τρόπο με τον οποίο γίνεται η ανάμειξη στις επιφάνειες πυκνότητας και τον τρόπο με τον οποίο ο ωκεανός θα αντιδράσει σε ένα μεταβαλλόμενο κλίμα.

Τα ευρήματα από τη φυσική ωκεανογραφία υποστηρίζουν την πρόβλεψη του καιρού και του κλίματος, τις επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης και τον σχεδιασμό υπεράκτιων κατασκευών. Ο κλάδος έχει στενούς δεσμούς με την ατμοσφαιρική επιστήμη, επειδή ο ωκεανός και η ατμόσφαιρα σχηματίζουν ένα συζευγμένο σύστημα. Οι πρόοδοι στην πληροφορική και την αυτόνομη παρατήρηση έχουν επιταχύνει την πρόοδο, ωστόσο θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την ανάμειξη, τις διεργασίες μικρής κλίμακας και τη μακροπρόθεσμη προβλεψιμότητα παραμένουν ενεργά ερευνητικά θέματα.

Μια καλά αναλυμένη εικόνα του φυσικού ωκεανού αποτελεί το θεμέλιο πάνω στο οποίο χτίζεται η χημική και βιολογική κατανόηση.