Au XVIII^e siècle, avec le développement de la navigation et des sciences, les premières tentatives systématiques de cartographie bathymétrique furent entreprises. Des marins comme James Cook effectuèrent des relevés précis dans le Pacifique, tandis que les sondages au plomb commencèrent à être utilisés sur des routes maritimes plus éloignées. Cependant, ces mesures ponctuelles ne permettaient pas de dresser une image globale du relief sous-marin.

Au XIX^e siècle, l'intérêt scientifique pour les fonds océaniques se renforça considérablement. L'un des tournants majeurs fut l'expédition du HMS Challenger entre 1872 et 1876, dirigée par Charles Wyville Thomson et John Murray. Ce voyage scientifique parcourut 27 000 kilomètres dans les océans Atlantique, Indien et Pacifique. Il fut l'occasion de milliers de relevés de température, de salinité, de prélèvements de sédiments  de courants marins, et surtout, des sondages au fil de plomb pour mesurer la profondeur des océans. L'équipe du Challenger découvrit des formes de vie à de grandes profondeurs, révélant que la vie existait même dans les abîmes, et a cartographié des reliefs sous-marins jusque-là inconnus. Les résultats, publiés sur plusieurs décennies, révélèrent pour la première fois la complexité des fonds océaniques, notamment la présence de grandes plaines abyssales, de dorsales et de fosses profondes comme la fosse des Mariannes. Cette expédition est considérée comme le point de départ de l'océanographie moderne.

Le début du XX^e siècle vit l'émergence de techniques nouvelles, notamment l'utilisation du son pour mesurer les profondeurs. Après la Première Guerre mondiale, la technologie de l'écho-sondeur, initialement développée pour détecter les sous-marins, fut adaptée aux études océaniques. Grâce à cette technologie, les scientifiques ont pu cartographier les fonds marins avec une précision inédite. On a ainsi découvert l'existence de chaînes de montagnes sous-marines, comme la dorsale médio-atlantique, qui s'étend sur plus de 16 000 kilomètres. Ces découvertes joueront un rôle clé dans le développement de la théorie de la tectonique des plaques dans les années 1960. Dans le même temps, l'analyse des sédiments prélevés par dragage et carottage approfondit la compréhension des processus géologiques sous-marins. 

Dans les années 1930,  l'explorateur Auguste Piccard conçoit un bathyscaphe, un sous-marin sphérique capable de supporter les pressions extrêmes des grandes profondeurs. Vers la même époque, des scientifiques tels que Maurice Ewing développèrent des méthodes géophysiques pour sonder la croûte océanique, notamment grâce aux ondes sismiques générées par des explosions contrôlées. Ces recherches révélèrent que les sédiments étaient étonnamment minces sur les planchers océaniques, suggérant un renouvellement géologique des fonds. La Seconde Guerre mondiale accéléra encore la collecte de données bathymétriques, car les marines militaires cartographièrent de vastes régions sous-marines pour des raisons stratégiques. 

En 1953, Jacques Piccard (filsd'Auguste Piccard) et l'océanographe Don Walsh descendent dans la fosse des Mariannes à bord du Trieste, atteignant la plus profonde zone océanique connue, le Challenger Deep, à environ 11 000 mètres sous le niveau de la mer. Ce cette plongée historique ouvrit la voie à l'exploration directe des abysses. Parallèlement, dans les années 1950 et 1960, l'océanographie entra dans une ère de révolution conceptuelle. Les campagnes de sondage systématique, menées par des navires comme le RV Vema de l'université Columbia, produisirent des cartes détaillées du plancher océanique. Marie Tharp et Bruce Heezen montrèrent, grâce à ces relevés, que les dorsales océaniques étaient traversées par des vallées centrales, interprétées comme des zones de rift. Parallèlement, les études magnétiques menées sur les fonds marins révélèrent des bandes symétriques d'anomalies magnétiques de part et d'autre des dorsales, témoignant d'une inversion périodique du champ magnétique terrestre.

Ces découvertes convergèrent vers la théorie de l'expansion des fonds océaniques, formulée par Harry Hess au début des années 1960. Selon ce modèle, le plancher océanique se forme au niveau des dorsales par remontée de magma et s'éloigne de part et d'autre, avant d'être recyclé dans le manteau au niveau des fosses de subduction. Cette hypothèse trouva un appui décisif dans les observations océanographiques et géophysiques, contribuant à l'acceptation progressive de la tectonique des plaques à la fin des années 1960.

Dans les années 1970, les campagnes océanographiques bénéficièrent de sonars multifaisceaux, qui permettaient de dresser des cartes bathymétriques d'une précision inégalée. Ces systèmes remplaçaient progressivement les sondeurs monofaisceaux, offrant des images continues et détaillées du relief sous-marin, révélant des structures complexes comme des failles transformantes, des monts sous-marins isolés et des réseaux hydrothermaux. En parallèle, les premiers forages profonds en mer furent réalisés dans le cadre du Deep Sea Drilling Project (DSDP), lancé en 1968. Ce programme permit de prélever des carottes sédimentaires et basaltiques, confirmant que les fonds océaniques sont plus jeunes près des dorsales et plus anciens en s'éloignant, conformément au modèle d'expansion océanique. Ces carottes fournirent aussi un enregistrement de l'évolution climatique et océanique sur des dizaines de millions d'années.

À la fin des années 1970, un événement majeur bouleversa la vision des environnements profonds : en 1977, lors d'une expédition près des Galápagos à bord du submersible Alvin, furent découvertes les sources hydrothermales et les cheminées de sulfures associées, qui émettent des fluides chauds et riches en minéraux. Ces cheminées noires et blanches s'accompagnaient d'écosystèmes uniques, basés non pas sur la photosynthèse mais sur la chimiosynthèse bactérienne, ouvrant une nouvelle dimension dans l'étude du vivant extrême et de l'interaction entre géologie et biologie au fond des océans. 

Les années 1980 et 1990 virent un perfectionnement considérable des techniques de recherche. Les véhicules sous-marins habités comme Alvin, Nautile ou Shinkai 6500, ainsi que les engins téléopérés (ROV) et autonomes (AUV), permirent des observations directes et des prélèvements précis dans des environnements extrêmes. Le programme Ocean Drilling Program (ODP), successeur du DSDP, multiplia les forages à travers les bassins océaniques, et fournit des archives géologiques et paléoclimatiques d'une richesse inestimable. Parallèlement, les mesures géophysiques de haute résolution, combinées aux modèles numériques, affinèrent la compréhension de la croûte océanique, du volcanisme sous-marin et de la dynamique des zones de subduction.

Les techniques satellitaires commencèrent également à jouer un rôle majeur dans la cartographie océanique. À partir des années 1990, les altimètres radar embarqués sur satellites comme TOPEX/Poseidon détectèrent les variations de hauteur de la surface de la mer, révélant indirectement les reliefs sous-marins par leur influence gravitationnelle. Ces données, combinées aux levés hydrographiques, permirent d'établir des cartes globales de la topographie océanique avec une couverture complète, même dans les zones peu explorées.

Au cours des années 2000 et 2010, la recherche sur les fonds océaniques s'enrichit encore grâce à l'arrivée d'engins plus performants, capables d'opérer à de très grandes profondeurs, jusqu'à plus de 10 000 mètres. Les expéditions explorèrent des environnements extrêmes comme la fosse des Mariannes, révélant de nouvelles espèces et processus biologiques. L'International Ocean Discovery Program (IODP), qui prit le relais de l'ODP, étendit les objectifs scientifiques aux interactions entre biosphère et lithosphère, ainsi qu'à l'étude des risques géologiques comme les grands glissements de terrain sous-marins ou les tsunamis.

La compréhension des processus hydrothermaux et de leur rôle dans les cycles chimiques mondiaux progresse aussi rapidement durant cette période. Les chercheurs montrent que ces systèmes contribuent au flux de chaleur et d'éléments entre le manteau, la croûte et l'océan, influençant la composition chimique des eaux océaniques. Par ailleurs, l'étude des hydrates de méthane, présents dans les sédiments profonds, ouvre de nouvelles perspectives énergétiques tout en soulevant des questions environnementales.

Dans les années récentes, l'intégration de l'intelligence artificielle, de la robotique avancée et de réseaux d'observation sous-marins permanents a permis un suivi en temps réel de certains processus. Des projets comme Seabed 2030 visent à cartographier l'ensemble des fonds océaniques d'ici 2030, comblant les lacunes encore nombreuses dans les zones éloignées. Les études géophysiques profitent aussi des réseaux de câbles sous-marins, qui peuvent servir de capteurs sismiques.