物理海洋學所研究的對象，是人類和生物賴以生存和生活的海洋中的物理環境。這種環境中的物理過程，與地球上的氣候和天氣的形成和變化、海洋生物的生存和生活、海洋中物質和熱量的輸送、海岸和海底的侵蝕和變化，以及海洋的交通運輸和軍事活動等，都有密切的關係。
在物理海洋學的理論研究中，主要是運用流體動力學和熱力學的原理，對一些理想化的或經過簡化的問題，通過解析求解，進行模式化的研究；對於比較複雜的問題，則藉助於電子計算機進行數值模擬求解。在解析的和數值的求解手段以外，還可通過模型試驗進行研究。由於海洋中的物理現象和過程，具有隨機性，故常套用機率統計和隨機過程的理論，對現場觀測的數據進行分析和處理。
物理海洋學所研究的問題，可概括為海洋熱鹽結構、海水巨觀運動、海-氣相互作用、海洋湍流四個主要方面。
海水熱鹽結構是研究海洋水體的熱平衡和物質平衡、溫度、鹽度、壓力、密度等的時空變化、鉛直斷面上的溫度和密度分布、海洋中的海水混合、擴散和層結、鋒面和躍層的形成、溫度-鹽度曲線和水團的生成、水團的邊界(鋒面)和混合、暖水和冷水間成篦齒狀的水平交錯排列、海凍的成因和消長，海水的絕熱壓縮、絕熱膨脹和位溫，海洋中等熵面的形成及其分布等。
海水巨觀運動是研究重力場中海水的非周期性和周期性運動，一般又分為海洋環流、海洋波動和海洋潮汐三種，這是物理海洋學的主要研究對象。
海洋環流是研究風引起的海流和密度分布不均勻所產生的密度流、大洋環流中流旋的生成和分布、大洋環流西向強化、海流的彎曲和變異、近赤道地區的流繫結構、南極繞極流，大洋熱鹽環流，深海環流和與主躍層的關係，海水的輻散和輻合運動與升降流及朗繆爾環流等的關係，中尺度渦及其能量轉換，冰漂流等特殊的流動現象，海洋對風應力等的反應，以及近岸海區的環流等等；
海洋波動是研究海浪的生成和消長，風浪中的能量，風速、風區、風時與海浪要素之間的關係，海浪譜及其源函式的結構，波-波非線性相互作用中的能量轉移，海浪的折射、繞射和反射，海洋近岸波及其相應的沿岸流和高岸流，海洋中的羅斯比波、陸架攔獲波和邊緣波、海洋內波、海嘯等等。
海洋潮汐是研究引潮力、引潮勢和分潮之間的關係，潮汐靜力學理論和潮汐動力學理論，潮波方程及其數值解，潮汐分析和推算原理，海平面及其變化，風暴潮，港灣潮汐余流，淺海潮波和海底摩擦對潮流的影響，河口區的潮汐混合，以及潮汐表的製作，各種特殊海域的潮汐，潮流、潮汐和風暴潮的預報等。
海-氣相互運動是研究海-氣界面分子過程的動量、熱量、水汽和其他物質的輸送，近海面湍流邊界層中的湍流能量方程，湍流的鉛直結構，湍流邊界層中各種參量的確定及邊界層模式，大氣與海洋間的動量和能量的傳遞，及其與風海流和風浪生成的關係，大尺度和中尺度的運動，及其相互作用與天氣預報及海況預報的關係，海洋對大氣的反饋作用對全球大氣環流及氣候變化的影響等。
海洋湍流是研究在海洋的上混合層、內層和近底邊界層中的湍流發生機制，風生漂流和內波場等流速鉛直梯度與湍流發生的關係，海洋湍流的譜結構，湍流能量的轉換和守恆，海洋湍流的局地相似性，在低緯度和中緯度海域形成溫躍層時的表層水和下層水間的混合交換作用，以及由於雙擴散等作用所導致的水溫階梯式分布和鹽指現象等海洋細微結構。
物理海洋學與海洋科學中的許多分支學科有著密切的關係，例如：在研究海洋中的熱鹽結構、海流形成和熱鹽環流機制時，重要的是要了解海水的溫度和鹽度的分布和變化，從而了解海水密度的分布和變化，這就需要精確測定海水鹽度；要確定海洋中的地轉流無運動面的位置時，有時還須參照海洋中溶解氧的分布和含氧量最小的位置。
某些海洋生物，如海水中的浮游生物，或被海流攜至遠方，或棲息在某種海流之中，它們有時可用作確定海流分布及其位置的指標，因此物理海洋學的研究，也與生物海洋學發生聯繫。海岸的形狀和海底的地形，會改變和影響海流的方向和速度，起著摩擦阻遏作用，還可導致海流不穩定，正因為如此，陸架波和邊緣波也發生在近岸海域。然而海底摩擦的強弱和湍流邊界層的形成，都取決於海底沉積物的性質和分布。
海底沉積物可以隨海流遷移，故可以利用海洋沉積物的種類和來源，確定海流的來去動向。這些又都是物理海洋學和地質海洋學之間的聯繫。另外，海水的許多運動，都是由風驅動的，而且海洋對大氣有著重要的影響，這就使物理海洋學和海洋氣象學之間有密切的關係。
