从震源激发出的地震波投射到折射界面上成临界角i时，产生沿界面R滑行的首波。临界角 i存在的条件为：i=arc sin（υ₀/υ₁）。式中υ₀、υ₁分别为地震波在界面上下介质中的传播速度。因此，只有满足υ₀＜υ₁才有折射界面存在。首波在沿折射界面R滑行时引起上部介质质点振动并返回地面，这种波称为地震折射波。由检波器（s₀，s₁，s₂……）接收。折射波的旅行时间与观测距离之间的关系，称为折射波时距曲线t(x)。在水平界面的情况下，它是从s₀开始的一条直线。震源O到s₀之间观测不到地震折射波，称为盲区。只有在盲区之外才能进行地震折射波观测。由于υ₂＞υ₁，较深层位上的折射波在离开震源的某个距离时，会超过浅层折射波而先到达检波器，称为此层位上折射波的初至区s₀s₁，而浅层折射波此时将在干扰背景上出现，称为它的续至区s₁s₂。因此，在折射波法中，不同层位上的折射波时距曲线为彼此相交的直线（见图）。

三层地层的地震折射液和时距曲线（图中d1、d2表示地层厚度）

早期应用折射波法主要在初至区内进行观测，称为折射波初至法。后来，反射波法的技术在续至区内也能观测折射波，称为折射波对比法。将折射波对比法用于地壳深部研究，在观测折射波的同时，还利用广角反射波（入射角大于临界角）进行观测，称为深地震测深。它是现代在海区内研究地壳并获得深部地震资料的重要手段。

由于盲区的存在，在海上进行折射波法观测时通常使用两条船作业，一条船激发地震波，一条船接收地震波。震源可以用大容量的组合空气枪，但在研究地壳深部结构，要获取莫霍面资料的深地震测深中，组合空气枪的能量不足，而仍需使用炸药震源。对折射波的接收，有时用漂浮组合接收装置作多道观测，但更广泛地使用地震声学浮标（包括地震水听器、前置放大器），对其输出信号进行放大和调制而后发射出去的天线装置。作业时，将地震声学浮标投放于水下某个深度上，以尽量减小海浪扰动和海水对地震波的吸收作用。投放后，观测船（震源船）沿测线行进中用强大的空气枪或炸药在海水中作等间距的激发。声学浮标接收到包括莫霍界面在内的深部折射波和广角反射波信号，通过无线电发送到观测船上进行记录。双船作业时有两种方式：①一船作震源，一船作接收，一般采用定爆炸点法，即移动观测点（接收船）；②两船互为震源船和接收船，同时相背而行，按预先设计好的观测系统工作。地震波的穿透深度越大，所记录到地震波的频率越低、分辨率也越低。为此，只能进行波组对比，并根据其时距曲线的斜率求取速度值，以判断折射层位的性质。

利用地震折射波法已经基本查明世界大洋盆地的地壳有三层结构：层Ⅰ为松散沉积层，地震波传播速度约为2千米/秒，平均厚度为0.5千米；层Ⅱ速度为5.07±0.63千米/秒，平均厚度1.71±0.75千米；层Ⅲ速度为6.69±0.26千米/秒，厚度4.86±1.42千米。层Ⅲ之下，为上地幔，地震波传播的平均速度为8.13±0.24千米/秒。深地震测深是现代在海洋地区内获取地壳深部资料的主要手段，对于研究地壳深部构造，认识沉积盆地的形成和演化与油气勘探都具有重要的意义。