Tali attività combinano approcci sperimentali, attività teoriche ed aspetti computazionali, ed integrano competenze fisiche, chimiche, biologiche, ambientali, ingegneristiche ed informatiche, con il fine di migliorare la comprensione del funzionamento di oceani ed ecosistemi marini, dell’importanza che essi hanno per il pianeta e per la società, e dei pericoli da cui sono minacciati.

La Sezione supporta inoltre lo sviluppo di una nuova alleanza fra uomo e mare, fondata sui paradigmi della sostenibilità e della consapevolezza.

Le ricerche includono una diffusa attività di caratterizzazione dello stato e della variabilità delle dinamiche biogeochimiche marine, della biodiversità e del funzionamento degli ecosistemi, con particolare riferimento ai mari italiani, il Mediterraneo e le aree polari ed alle relazioni fra variabilità fisica e risposta ecologica.

La cura, da sempre posta alla qualità del dato sperimentale, ha portato a un costante aggiornamento tecnologico, grazie al quale la Sezione di Oceanografia ha consolidato la posizione di leadership dell'OGS nelle attività osservative marine svolte con sistemi robotizzati (boe fisse, boe flottanti, alianti sottomarini), nel settore della metrologia dei parametri marini, e nella gestione di banche dati e data centre.

Parallelamente la Sezione effettua un'intensa attività di modellistica dei sistemi marini, volta alla comprensione quantitativa delle dinamiche fisiche ed ecologiche, allo studio dell’impatto dei cambiamenti climatici e acidificazione marina sui sistemi marini, all'analisi della sostenibilità di pesca ed acquacoltura, diffusione e impatto degli inquinanti, e all'integrazione delle osservazioni sperimentali in un quadro teorico. A queste attività si affianca una consolidata tradizione nello studio della biodiversità del plancton e dei temi dell’ecologia microbica, ed una grande attenzione ai temi della sostenibilità degli ecosistemi. 

La Sezione è, inoltre, impegnata in ricerche che  hanno importanti connotazioni applicative e includono grandi progetti esplorativi, anche per le caratterizzazioni ambientali funzionali alla messa in opera di grandi infrastrutture, e nei servizi di previsione a breve termine dello stato del mare effettuati per conto del sistema europeo COPERNICUS. La sezione contribuisce in maniera rilevante allo sviluppo di infrastrutture di ricerca ESFRI, sia a diretto coordinamento dell’OGS (EURO-ARGO, ECCSEL e PRACE-IT) che coordinate da altri enti (ICOS, EMBRC), gestisce dal 2001 il Centro Nazionale di dati Oceanografici per l’Italia, dal 2002 il rinnovato Centro di Taratura e Metrologia Oceanografica, e ha aperto nel 2015 un centro multidisciplinare per lo studio dell'impatto dell'acidificazione marina sull‘isola di Panarea, dove le emissioni sottomarine di CO₂ creano un ambiente naturalmente acidificato.