Di perairan gelap di bawah zona yang diterangi matahari, banyak organisme menghasilkan cahayanya sendiri. Bioluminesensi adalah produksi cahaya secara kimiawi oleh makhluk hidup, yang dicapai melalui reaksi yang melibatkan enzim luciferin dan luciferase atau melalui bakteri simbiosis.

Cahaya dapat berfungsi sebagai umpan bagi mangsa, sinyal peringatan, kamuflase terhadap cahaya yang datang dari atas, atau sebagai alat komunikasi. Ikan laut dalam, ubur-ubur, cumi-cumi, dan organisme planktonik yang tak terhitung jumlahnya memancarkan cahaya, bersinar, atau melepaskan awan bercahaya. Di perairan permukaan, ledakan populasi dinoflagellata dapat membuat ombak berkilauan di malam hari.

Fenomena ini jauh lebih umum di lautan daripada di darat. Studi tentang bioluminesensi telah menghasilkan alat untuk penelitian biomedis dan menginspirasi metode pencitraan baru. Penyelam dan pilot kapal selam sering menggambarkan pengalaman menstimulasi hamparan plankton bercahaya sebagai salah satu pemandangan paling berkesan di laut.

Satu kali penangkapan jaring dari kedalaman laut dapat berisi puluhan spesies bercahaya.