Wanneer men vanaf de evenaar naar de polen gaat neemt de temperatuur van het zeewater aan het oppervlak gewoonlijk af. Het patroon wordt enorm door de warme en koude zeestromen beïnvloed. Terwijl de laagste zeewatertemperaturen worden aangetroffen in de ijsgebieden rond de poolstreken, zijn de hoogste temperaturen in nagenoeg afgesloten randzeeën gemeten, waar men temperaturen aantrof van 35 graden Celsius. De temperatuur verloopt niet enkel met de breedte, maar eveneens met de diepte. Waarbij onderscheid kan worden gemaakt tussen drie lagen.
De laag van de oppervlakte met gewoonlijk een dikte van iets minder dan 200 meter. In de oppervlaktelaag is de jaarlijkse gang merkbaar welke door verschillen in zonnestraling en luchttemperaturen optreedt. In de winter is op de gematigde breedtes door de vele stormen de menging van de oppervlaktelaag zodanig dat deze nagenoeg isotherm is. Met de opwarming in de lente ontstaat er een oppervlaktelaag waar de temperatuur daalt met de diepte;
Een overgangslaag is de permanente thermocline waar de temperatuur met toenemende diepte over een korte afstand sterk verandert. Dit kan over een paar meters 5 tot 10 graden Celsius zijn. Daardoor zijn er boven en onder deze laag grote dichtheidverschillen. De thermocline ligt op de diepte tot waar de meest zware stormen invloed uitoefenen. In de poolstreken ontbreekt deze permanente thermocline omdat daar geen waterverwarming plaatsvindt;
Onder de permanente thermocline ligt de diepzee waar de temperatuur langzaam met de diepte afneemt. Op dieptes van ruim 2000 meter is de temperatuur overal enkele graden boven nul of zelfs minder.