In Geologia marina vengono effettuate sovente indagini batimetriche, indagini geologiche e morfologiche dei fondali e studi magnetometrici. Frequenti sono le analisi fisico-chimico-paleontologiche sui campioni di sedimento, le misurazioni delle caratteristiche fisico-chimiche dell'acqua, e le indagini correntometriche superficiali e di fondo.

Una delle metodologie più utilizzate nello studio delle aree marine per verificare la geologia del fondo, gli spessori dei corpi sedimentari e la struttura della crosta oceanica è basata sulle prospezioni sismiche in mare. Le riflessioni e le rifrazioni sismiche vengono generate da contrasti delle caratteristiche fisiche di corpi geologici sovrapposti che corrispondono a superfici di discontinuità o a superfici di strato.

Attraverso l'utilizzo di ecoscandagli che sfruttano l'eco prodotto da fasci di onde acustiche possono essere realizzati rilievi batimetrici, atti a riconoscere strutture del sottofondo e a distinguere la presenza di sabbia, di roccia, o di qualunque oggetto presente sul fondo. I dati ottenuti vanno corretti a seconda di vari fattori, quali la deriva della nave e la velocità del suono; elaborando i profili si ottiene una mappa morfologica del fondale marino.

Mediante l'impiego delle navi oceanografiche il sedimento marino può essere prelevato (carotaggio) per venire sottoposto ad analisi di laboratorio.
L'analisi ai raggi x è il metodo più rapido e non distruttivo per l'analisi dei sedimenti marini molli. L'assorbimento dei raggi x dipende principalmente dalla lunghezza d'onda della radiazione, dalla densità, dallo spessore dei campioni e dal numero atomico del materiale assorbente. Le radiografie, inoltre, evidenziano la quantità e lo stato di conservazione dei bioclasti presenti nei campioni, le eventuali tracce di bioturbazione ed ulteriori strutture sedimentarie.

In laboratorio i sedimenti marini campionati vengono sottoposti alle analisi sedimentologiche: calcimetrie (per la determinazione del tenore in CaCO₃) e granulometrie (per lo studio dell'assortimento granulometrico). Per i sedimenti marini vengono inoltre determinate alcune proprietà fisiche quali la resistenza al taglio, il peso di volume, la percentuale d'acqua, il peso specifico, l'indice dei vuoti e la porosità.

I bacini idrografici, i laghi, i porti, le lagune costiere possono infine essere sottoposti anche ad indagini ambientali. Oltre alla velocità ed ai valori delle correnti, vengono prelevati campioni d'acqua per misurarne le caratteristiche chimico-fisiche, quali: composizione, O₂ disciolto, temperatura, conduttività, pressione, PH. Le finalità di tali studi sono molto importanti: protezione e ripascimento delle coste, controllo dell'inquinamento delle acque e dei sedimenti, protezione del patrimonio faunistico, gestione dei sistemi di presa e scarico in mare.