由于在陆地实验室模拟海底环境进行科学实验存在很大的局限性，无法完全模拟海底环境，因此有必要通过在海底建设实验室，来满足科学实验研究需求。

海底实验室通常配有水面补给系统、人员运载舱和工作室三部分，外部一般附有高压气瓶、压载水舱和固体压载等，通过压载水舱注水或排水使实验室下潜或上浮。实验室的电力、氧气、淡水和食物，都是由陆上、补给船或补给浮标等通过“脐带”供应。当实验室内外压平衡时，海水不会进入室内，人员可以通过闸室自由出入。实验室内压力、温度、湿度和气体成分由仪表自动监控。

海底实验室的设想是在20世纪20年代提出来的，1962年，美国“海中人-1号”和法国“大陆架-1号”海底实验室首次在地中海进行试验。初期的海底实验室固定于水下，依靠补给船的起重机吊放海底。后来的海底实验室可以通过压载水舱注、排水，做沉浮的垂直运动，并向作业水深大、自持力强和机动性能好的方向发展。如苏联1977年1月下水的“底栖生物-300号”，作业深度达300米，自持力14天，可容纳12名乘员。由于通信联络、保暖措施、安全减压等方面仍有难以解决的问题，加上造价昂贵，海底实验室仍处于实验研究阶段。当前世界上仅存的海底实验室位于美国佛罗里达州拉哥礁海域海底，名字叫作“宝瓶座”。它位于海面下20米深处，外观好似一艘潜水艇，总重量81吨，“宝瓶座”体积不大，但可容纳6人居住并在海底工作7～30天。科学家们主要在这里研究珊瑚、海草、鱼类等生物和水质等生态环境的变化，并记录自身在海底生活的各种生理状况。通常情况下，科学家可在实验室连续住上数星期，所需食物和工具都被装在防水的罐子里由潜水员定期送往实验室。中国正在进行的“深海空间站”研发，也是海底实验室的一种具体实践。

位于佛罗里达群岛国家海洋保护区的水下海洋实验室宝瓶座