La direction du vecteur d'onde est celle dans laquelle l'onde se propage. Par exemple, pour une onde plane progressive se déplaçant dans l'espace, le vecteur d'onde pointe dans la direction du front d'onde qui avance. Dans un milieu isotrope, cette direction est perpendiculaire aux surfaces d'égale phase (appelées surfaces équiphases ou fronts d'onde). 

Dans une expression mathématique d'une onde plane harmonique, le vecteur d'onde apparaît dans la phase de l'onde. Pour une onde scalaire, on peut écrire :
ψ(r, t) = A · cos(k · r - ωt + φ) ou en notation complexe : ψ(r, t) = A · e^{[i(k · r - ωt + φ)]}, où r est le vecteur position, ω la pulsation, t le temps, A l'amplitude et φ la phase à l'origine. Le produit scalaire k · r représente la variation spatiale de la phase de l'onde selon la direction de k. Ce produit scalaire assure que la phase dépend de la projection du vecteur position sur la direction de propagation, ce qui est cohérent avec le fait que les surfaces d'égale phase sont perpendiculaires à k. 

Dans les milieux anisotropes (comme certains cristaux), la direction du vecteur d'onde peut ne pas coïncider avec la direction du transport d'énergie (donnée par le vecteur de Poynting en électromagnétisme), mais il reste toujours perpendiculaire aux fronts d'onde. 

Le vecteur d'onde est également intimement lié à la quantité de mouvement dans le cadre de la mécanique quantique, via la relation de de Broglie : p = ħ k, où p est le vecteur quantité de mouvement et ħ la constante de Planck réduite. Cela traduit le caractère ondulatoire de la matière et permet de relier les propriétés ondulatoires (longueur d'onde, fréquence) aux propriétés corpusculaires (impulsion, énergie). 

En optique, en acoustique, en mécanique des fluides ou en physique des solides, le vecteur d'onde est un outil fondamental pour analyser la propagation, la diffraction, l'interférence ou la dispersion des ondes. Il permet notamment de décrire les phénomènes dans l'espace réciproque (ou espace des k), largement utilisé en cristallographie et en physique du solide pour étudier les structures périodiques et les relations de dispersion.