समुद्र के भौतिक गुणों और उसकी गति को नियंत्रित करने वाली प्रक्रियाओं के अध्ययन को भौतिक समुद्र विज्ञान कहते हैं। इसमें समुद्री धाराएँ, लहरें, ज्वार-भाटा, अशांति, तापमान और लवणता का वितरण, और वायुमंडल के साथ ऊष्मा और संवेग का आदान-प्रदान शामिल है।

भौतिक समुद्र विज्ञानी सिद्धांत, प्रेक्षण और संख्यात्मक मॉडलों के मिश्रण का उपयोग करते हैं। प्रेक्षण उपग्रहों, आर्गो फ्लोट्स, मूरिंग, अनुसंधान जहाजों और तटीय रडारों से प्राप्त होते हैं। इनका उद्देश्य समुद्र के परिसंचरण को निर्धारित करने वाले कारकों को समझना, ध्रुवों की ओर ऊष्मा का परिवहन कैसे होता है, घनत्व सतहों पर मिश्रण कैसे होता है और जलवायु परिवर्तन के प्रति समुद्र की प्रतिक्रिया को समझना है।

भौतिक समुद्र विज्ञान से प्राप्त निष्कर्ष मौसम और जलवायु पूर्वानुमान, खोज एवं बचाव अभियान और अपतटीय संरचनाओं के डिजाइन का आधार बनते हैं। यह विषय वायुमंडलीय विज्ञान से घनिष्ठ रूप से जुड़ा हुआ है, क्योंकि महासागर और वायुमंडल एक संयुक्त प्रणाली बनाते हैं। कंप्यूटिंग और स्वायत्त अवलोकन में हुई प्रगति ने विकास को गति दी है, फिर भी मिश्रण, लघु-स्तरीय प्रक्रियाओं और दीर्घकालिक पूर्वानुमान से संबंधित मूलभूत प्रश्न सक्रिय अनुसंधान विषय बने हुए हैं।

महासागर की भौतिक संरचना की एक सुस्पष्ट तस्वीर ही वह आधार है जिस पर रासायनिक और जैविक समझ का निर्माण होता है।