Les trois quarts de la planète Terre sont recouverts d'eau. La majorité de la surface solide de la planète est une plaine abyssale, à des profondeurs comprises entre 4 000 et 5 500 mètres (13 100 et 18 000 pieds) sous la surface des océans. La surface solide de la planète la plus proche du centre de l'orbite est le gouffre Challenger, situé dans la fosse des Mariannes à une profondeur de 10 924 mètres (35 840 pieds).
Bien qu'un certain nombre d'activités humaines soient menées sous l'eau, comme la recherche, la plongée sous-marine pour le travail ou les loisirs, ou même la guerre sous-marine avec des sous-marins, ce milieu très étendu de la planète Terre est hostile à l'homme à bien des égards et donc peu exploré. Mais il peut être exploré par sonar, ou plus directement par des submersibles habités ou autonomes. Les fonds marins ont été étudiés par sonar, au moins à une résolution grossière ; des zones particulièrement stratégiques ont été cartographiées en détail, au nom de la détection des sous-marins ennemis, ou de l'aide aux sous-marins amis, bien que les cartes résultantes puissent encore être classifiées.
Un obstacle immédiat à l'activité humaine sous l'eau est le fait que les poumons humains ne peuvent pas fonctionner naturellement dans cet environnement. Contrairement aux branchies des poissons, les poumons humains sont adaptés à l'échange de gaz à la pression atmosphérique, et non de liquides. Outre le fait que la musculature est insuffisante pour faire entrer et sortir rapidement l'eau des poumons, un problème plus important pour tous les animaux qui respirent de l'air, comme les mammifères et les oiseaux, est que l'eau contient très peu d'oxygène dissous par rapport à l'air atmosphérique.
Rien n'est plus doux ou plus souple que l'eau, et pourtant rien ne peut lui résister.
Lao Tseu
La densité de l'eau pose également des problèmes qui augmentent considérablement avec la profondeur. La pression atmosphérique à la surface est de 14,7 livres par pouce carré, soit environ 100 kPa. Une pression d'eau comparable s'exerce à une profondeur de seulement 10 m (33 ft) (9,8 m (32 ft) pour l'eau de mer). Ainsi, à environ 10 m sous la surface, l'eau exerce sur le corps une pression deux fois supérieure (2 atmosphères ou 200 kPa) à celle de l'air au niveau de la surface.
Pour les objets solides comme les os et les muscles humains, cette pression supplémentaire n'est pas un gros problème, mais elle l'est pour tous les espaces remplis d'air comme la bouche, les oreilles, les sinus paranasaux et les poumons. En effet, l'air contenu dans ces espaces diminue de volume lorsqu'il est sous pression et ne peut donc pas soutenir ces espaces en raison de la pression extérieure plus élevée. Même à une profondeur de 8 pieds sous l'eau, l'incapacité à égaliser la pression de l'air dans l'oreille moyenne avec la pression de l'eau extérieure peut provoquer des douleurs, et la membrane tympanique peut se rompre à des profondeurs inférieures à 10 pieds (3 m).
Le risque de dommages dus à la pression est le plus grand en eau peu profonde, car le taux de changement de pression est le plus élevé à la surface de l'eau. Par exemple, l'augmentation de la pression entre la surface et 10 m est de 100 % (100 kPa à 200 kPa), mais l'augmentation de la pression à partir de 30 m est de 100 %.
Avec l'augmentation de la profondeur sous l'eau, la lumière du soleil est absorbée, et la quantité de lumière visible diminue.
L'absorption étant plus importante pour les grandes longueurs d'onde (extrémité rouge du spectre visible) que pour les courtes longueurs d'onde (extrémité bleue du spectre visible), le spectre des couleurs se modifie rapidement avec l'augmentation de la profondeur. Les objets blancs à la surface apparaissent bleutés sous l'eau, et les objets rouges paraissent sombres, voire noirs. Bien que la pénétration de la lumière soit moindre si l'eau est trouble, dans l'eau très claire de la haute mer, moins de 25 % de la lumière de surface atteint une profondeur de 10 m. À 100 m (330 ft), la lumière présente du soleil représente normalement environ 0,5 % de celle de la surface.
La profondeur euphotique est la profondeur à laquelle l'intensité lumineuse tombe à 1% de la valeur à la surface. Cette profondeur dépend de la clarté de l'eau, pouvant être de quelques mètres seulement dans un estuaire turbide, mais pouvant atteindre jusqu'à 200 mètres en pleine mer. À la profondeur euphotique, les plantes n'ont aucun gain net d'énergie par photosynthèse et ne peuvent donc pas se développer.