实验室跟踪国际海洋科学与技术发展前沿，在海洋与气候变化、海洋波动与混合、海洋生物及其资源利用、海洋遥感信息技术及应用研究等方面开展了创新性研究，为南海区域海洋学、生态环境保护、海洋资源可持续利用提供了重要的理论和技术支撑。目前已凝练形成了四个特色鲜明、稳定的研究方向：

1）海洋与气候变化：针对南海灾害气候、海洋资源开发以及区域海洋经济发展的需求，围绕热带地区和海洋气象领域中的一些关键、重大科学问题，开展南海季风、海气相互作用对南海气候及海洋环境变化的影响。

2）海洋波动与混合：针对海洋波动与混合、陆架边缘海生物地球化学与物理过程耦合等科学问题，开展上层海洋对气候变化的响应、海气耦合机制及区域海洋数值模拟技术研究。

3）海洋生物及其资源利用：针对南海生物资源保护、生物修复技术所面临的科学问题，主要在南海生物多样性、微生物特性及其变化规律、生态习性、海洋生物活性物质的分离鉴定、化学改性、功能化研究，以及海洋生物资源高值化利用技术等方面的研究。

4）海洋遥感信息技术及应用研究：以解决南海生态环境保护、海岸带及海岛资源综合开发与利用、海岸带与海岛管理及灾害预警中的科学和技术问题为目标，系统开展了近岸海域叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度、海表温度等环境参数获取、大陆与海岛海岸侵蚀、海岸带生态分区、滩头资源等遥感解译调查技术及其应用研究，建立了雷州半岛基于生态脆弱性的承载力模型，提出了全国首个基于海洋生态系统健康的海岸带主体功能区划方案。