Các tàu được thiết kế và trang bị cho nghiên cứu hải dương học là tàu nghiên cứu. Chúng mang theo tời kéo, phòng thí nghiệm, hệ thống âm thanh và chỗ neo đậu cần thiết để hỗ trợ các nhóm nhà khoa học trên biển trong nhiều tuần hoặc nhiều tháng.

Một tàu nghiên cứu điển hình có thể triển khai các thiết bị đo độ sâu, nhiệt độ và độ đục (CTD), lưới, dụng cụ lấy mẫu lõi, phương tiện tự hành và hệ thống neo đậu. Các phòng thí nghiệm cho phép xử lý mẫu ngay lập tức để phân tích hóa học, sinh học và địa chất. Hệ thống định vị động giúp giữ tàu ở vị trí cố định ngay cả trong điều kiện biển động. Một số tàu được gia cố để hoạt động trong vùng băng giá ở vùng cực; những tàu khác chuyên về âm học thủy sản hoặc khảo sát địa vật lý.

Bất chấp sự phát triển của các nền tảng tự hành, tàu nghiên cứu vẫn là không thể thiếu vì nhiều thiết bị và thí nghiệm vẫn cần sự hiện diện của con người và khả năng vận chuyển hàng nặng. Chi phí vận hành cao, do đó thời gian sử dụng tàu được phân bổ cẩn thận thông qua các đề xuất cạnh tranh. Hợp tác quốc tế thường chia sẻ chi phí cho các chuyến thám hiểm lớn đến các vùng xa xôi.

Sự xuất hiện của một tàu nghiên cứu tại một địa điểm ít người đặt chân đến vẫn đánh dấu sự khởi đầu của những khám phá mới.