其原理可参考地震波在介质中传播的物理模型（见图）。从震源O激发出的弹性波投射到反射界面上产生反射波，其入射角等于反射角。能够形成反射的界面，必须具备这样的条件，即在弹性波垂直入射时，界面上的反射系数不等于零。式中：分别为地层的密度和弹性波的传播速度，它们的乘积称为波阻抗，角标1、2分别表示界面上下的地层。因此，反射界面存在的条件为：。所以，反射界面也称为波阻抗界面。反射波返回地表，为检波器（s1，s2，s3……）接收，并由地震仪记录下来。反射地震记录内包含着多种信息，其中反射波的旅行时间和震源到检波器之间距离的关系，称为时距曲线。用时距曲线可反演出地下反射界面的几何形态（地质构造）；而在地震反射信息中，还包含有地震波的振幅、相位、频率、速度、极性以及其他一些参数，表现出反射波的动力学特点，它能给出地层岩性的特征，有助于判断沉积环境，甚至还能给出油气的直接指示。

地震反射波传播示意图

地震反射波法需用的仪器设备包括震源、接收装置和记录系统组成。早期使用炸药激发地震波。广泛使用非炸药震源，有空气枪震源、蒸汽枪震源和电火花震源。此外，利用电磁脉冲，甚至压电效应，也可以造成震源装置如电磁脉冲器和压电换能器，只是它们的能量较小，仅适用于浅层调查。水下接收装置主要使用压电换能器组成的检波器，在水中接收地震波。将压电换能器按一定间距串、并联组成阵，放置于塑料管内并充油液，使之在海水中具有中性浮力，即组成一个地震记录道接收段。多道剖面测量时，则使用由多个（如24、48、96等）地震记录道接收段组成。接收装置必须在水面以下一定的深度上才能达到最佳的接收效果。地震反射记录系统使接收到的反射波经过放大、滤波和增益控制来实现地震资料的采集。单道观测可以用电敏纸或热敏纸的机械记录器，或用检流计的照相装置，将地震波的模拟信号记录下来。多道观测先后经历了光点照相记录、模拟磁带记录和数字磁带记录等阶段。广泛使用瞬时浮点增益数字地震仪，由信号采样所得的瞬时值控制其放大增益，具有宽达84分贝以上的动态范围和高达4200分贝/秒的跟踪速度，使地震信号能在无畸变的情况下迅速恢复其真振幅，如实地将反射波记录于磁带上。

观测方法主要采用单道连续剖面法和多道连续剖面法。为了提高信噪比，在多道连续剖面法中还广泛采用共深点反射技术。①单道连续剖面法也称连续海底反射地震剖面法，是一种高分辨率的反射波法，主要用于了解海底地形，浅层疏松沉积及基底情况。主要使用电火花作震源，有时也用电磁脉冲器或空气枪。这种观测具有经济、高效的特点。②多道连续剖面法用于区域地质调查，特别是近海油气资源调查。地震多道组合接收装置应放置于水中最佳接收深度，并处于中性等浮状态，组合空气枪应从船尾一侧或两侧沉放于水中最佳激发深度上。观测船以5节左右的速度沿测线航行，每行进一定距离（或时间）使组合空气枪激发一次，所产生的地震波穿透海底地层，并在不同界面上反射返回海水层，由多道等浮接收装置接收，再由数字地震仪进行放大、采样、增益控制、模数转换并记录于磁带上，从而完成对海底反射界面的一次覆盖观测，并要求观测船在测线上持续航行，依次激发并取得连续覆盖反射界面的地震资料。③共深点反射是在多道剖面法中，为了提高反射波能量并压制地震观测中的干扰（尤其是多次反射），提高其可靠性和精度，普遍采用多次覆盖技术，称共深点反射，也称共深点水平叠加。它要求在一次覆盖观测系统的基础上，缩短震源激发间距并增加激发次数，来实现对海底反射界面的多次覆盖观测。多次覆盖技术使具有共同反射点的信号得到加强，其他干扰则受到压制，从而提高了反射地震资料采集的质量。现代海洋地震勘探船上，大都将导航定位系统与震源和地震仪连接起来，而通过电子计算机来实现对其工作的配合和控制。２１世纪以来，在多道剖面观测的基础上进行三维地震观测，使震源和接收点都处于同一个面积内，依次取得共深点反射的观测资料，再经过电子计算机的专门处理，可以获取反射层位在三维空间内展布的立体图件。

地震反射波法是大陆架油气勘探的首要手段。测量结果能较准确地确定界面的深度和形态，圈定局部构造，判断地层岩性。在经过真振幅恢复处理所得的亮点剖面上，将那些特别强的反射波判作烃类存在的显示，提供直接找油的标志；反射地震资料用于揭示海洋沉积层的结构和厚度，并作为深海钻探的依据；单道连续剖面和高分辨率浅层反射波法普遍应用于水下三角洲、海底工程地质和滨海砂矿勘查等。浅层地震剖面能划分海底疏松沉积物类型，圈出基底起伏，再结合浅钻岩芯资料能确定它们的岩性参数。