日光の届く範囲より下の暗い水域では、多くの生物が自ら光を発している。生物発光とは、生物がルシフェリンやルシフェラーゼ酵素の反応、あるいは共生細菌の働きによって、化学的に光を生成する現象である。

光は獲物を誘い込むおとり、警告信号、下方からの光に対するカモフラージュ、あるいはコミュニケーション手段として利用される。深海魚、クラゲ、イカ、そして無数のプランクトン生物は、光を発したり、発光したり、光る雲を放出したりする。表層水では、渦鞭毛藻の大量発生によって、夜間の波がキラキラと輝くことがある。

この現象は陸上よりも海中で遥かに多く見られる。生物発光の研究は、生物医学研究のためのツールを生み出し、新たな画像診断法の開発にもつながった。ダイバーや潜水艇の操縦士は、光り輝くプランクトンの群集を刺激する体験を、海で最も印象的な光景の一つとしてしばしば語る。

深海から網を一度引き上げると、数十種類もの発光生物が見つかることがある。