Dans les eaux obscures situées sous la zone éclairée par le soleil, de nombreux organismes produisent leur propre lumière. La bioluminescence est la production chimique de lumière par les êtres vivants, grâce à des réactions impliquant les enzymes luciférines et luciférases ou par des bactéries symbiotiques.

La lumière peut servir d'appât pour les proies, de signal d'avertissement, de camouflage contre la lumière descendante, ou de moyen de communication. Les poissons des grands fonds, les méduses, les calmars et d'innombrables organismes planctoniques émettent des flashs lumineux, brillent ou libèrent des nuages ​​lumineux. En surface, les efflorescences de dinoflagellés peuvent faire scintiller les vagues la nuit.

Ce phénomène est bien plus fréquent dans l'océan que sur terre. L'étude de la bioluminescence a permis de développer des outils pour la recherche biomédicale et a inspiré de nouvelles méthodes d'imagerie. Les plongeurs et les pilotes de submersibles décrivent souvent l'expérience de stimuler un champ de plancton bioluminescent comme l'un des spectacles les plus mémorables en mer.

Un seul filet pêché en profondeur peut contenir des dizaines d'espèces lumineuses.