表層水與底層水的水溫差異全球海洋中海水溫度的變化幅度大致在-2℃～33℃之間。其中，表層海水的水溫變化幅度最大，大約是在-2℃～33℃之間；而底層水的水溫變化幅度較小，通常多維持在0℃～6℃範圍內。
表層水溫度最高的區域為北緯5°～10°海域，該海域的部分海區，如波斯灣，夏季的表層水溫有時可高達33℃，岸邊淺水域的表層水溫有時甚至能達到36℃。表層水溫最低海域為南極海域，其中威德爾海的長年水溫一般都低於0℃，最低時為-2℃。北冰洋是全球緯度最高的海域，大約有2／3的海域表層長年冰凍，其餘的海麵大多也漂浮著冰山及浮冰，整個北冰洋中僅有巴倫支海由於受北角暖流的影響所以長年不結冰。北冰洋從海麵到100～225米深的表層水長年水溫一般都在-1℃～-1.7℃之間，從100～225米到600～900米之間的中層水，由於受大西洋暖流的影響，水溫多保持在0℃～1℃之間。北冰洋沿岸地區大多為凍土地帶，永凍層厚度一般都可達數百米。
表層水溫季節變化幅度最大的是中緯度海域，一年之中最高水溫有可能達到30℃，而最低水溫則可能低於0℃，年水溫差可超過30℃。而赤道海域和極地海域水溫的季節變化幅度都比較小，年水溫差一般很少能超過10℃。
底層水占海水總量的75％以上，其水溫長年多維持在0℃～6℃之間，其中，有大約50％左右的深層水長年水溫僅有1.3℃～3.8℃，隻有極個別的海域底層水溫會低至0℃。在大洋深處的海盆中，地殼的熱量可以對底層水的水溫產生一些影響，但至多也隻能使底層的水溫上升0.5℃左右。
溫躍層大洋中的海水，溫度垂直分布存在著典型的三層式結構。
上層為混合層。其厚度大約在20～200米，不同海域厚度不同。混合層上下溫度比較均勻，但表層溫度存在比較明顯的晝夜變化與季節變化。
中層為溫躍層，在溫躍層內，隨水深的變化海水溫度急劇下降。溫躍層在不同海區分布深度不同。在南北信風帶海域，溫躍層多出現在200米左右水層在長日照海域，晝夜溫躍層多出現在6～10米水層，而季節溫躍層多出現在30～100米水層。溫躍層的厚度一般都不太厚，通常隻有幾米至幾十米，但其溫度變化幅度卻非常大，在低緯度海域可以從20℃～30℃急劇下降為3℃～6℃。
溫躍層並不是在所有的海域都存在，高緯度海域由於表層水溫長年都比較低，與底層水的水溫差別不是太大，因而很少出現溫躍層。
底層為低溫層。在大洋深水區以底層水的厚度最大，溫度變化幅度也最小。大洋底層水的溫度一般都保持在0℃～6℃範圍，即使是熱帶海域，1500米以下的水溫也很少能超過3℃。但水溫低於0℃的底層水分布區域也不是很多。
溫躍層的成因溫躍層的形成原因大致上有3種。一種是隨寒流攜入的低溫水，由於比重較大，會下沉至高溫水的下部，形成較為穩定的低溫水團，在冷水團與其上方暖水團的界麵處存在較大的水溫差，可形成穩定的溫躍層。第二種是季節溫躍層的形成，即表層海水受季節性氣溫的影響水溫升高，由此而形成的暖水團，因密度變小而穩定存在於其下方溫度較低的水團之上，兩個水團的界麵處存在較大的溫差，形成季節溫躍層。季節溫躍層一般多生成於中緯度海域。第三種是晝夜溫躍層的形成，由於表層海水白天受太陽光輻射的影響水溫升高，形成的暖水層，也可穩定存在於其下方溫度相對較低的水層之上，兩個水層的界麵處形成晝夜溫躍層。晝夜溫躍層一般多生成在比較淺的水層中，而且不太穩定。
影響海水密度的主要因素海水密度是指每單位體積海水的質量，常用單位為“克／立方厘米”或“克／毫升”。人們習慣上常將海水密度稱為海水比重，一般多用海水比重計進行測量。海水的平均密度一般多在1.025～1.028克／毫升之間。