大洋表层水温的分布主要决定于太阳辐射的分布和大洋环流。世界大洋表面水温在水平上沿纬向大致呈带状分布，即东西方向上量值的差别很小，而经向即南北方向上变化却十分显著；大洋深层水温垂向分布基本呈层化状态，海水在垂直方向的对流运动比水平方向弱很多，导致海水在垂直方向热传导效率较差，随着深度的增加，水温大体上呈不均匀递减，直至深层水温分布趋于均匀。至此形成了海水表面和深层海水之间的温度差。

据联合国新能源和可再生能源会议专家研究，全球最适合温差能资源开发的海域主要分布在南纬25°和北纬32°之间的热带和亚热带海域，其表层与深层温差不小于20℃。太阳的辐射热随着纬度的变化有强有弱，因而海水的温度也随纬度的变化而变化：纬度越低，水温越高；纬度越高，水温越低，按照纬度来分，最适合温差能发电的地点依次为热带、亚热带和赤道。全球温差能资源分布不均，按照海域划分，太平洋西南部海域温差能资源的能量密度大，面积广，全面平均表深层温差达24℃以上，表、深层温差大于20℃的面积约为大西洋相应面积的四五倍；印度洋和大西洋温差能资源的能量密度和面积相当，全年平均表、深层温差最大为22℃；亚洲东南部菲律宾、印度尼西亚的东侧和大洋洲背部各群岛地区及中国南海海域，是全世界温差能资源能量密度最大的地区。非洲海岸、美洲热带西部和东南海岸以及许多加勒比和太平洋岛屿也都位于合适的区域，其海水从地表温度25～30℃下降到4～7℃的位置，深度从750～1000米不等。

海洋温差能最直接的利用方式可能是通过海洋热能转换装置，将温差能变成电能。在海洋能源中，温差能是储量最大的一种可再生资源，海洋温差能转换被国际社会普遍认为是最具有开发利用价值和潜力的海洋能资源，但受限于温差能热机转换效率较低、热交换器表面海生物附着降低传热系数、取深层海水过程中冷水管材料工艺要求较高等技术问题，海洋温差能发电开发难度较大，实型和试验装置很少。