อุณหภูมิเป็นปัจจัยสิ่งแวดล้อมที่สำคัญมากประการหนึ่ง และมีการศึกษาการตอบสนองของสัตว์ทะเลต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิมากที่สุดอิทธิพลของอุณหภูมิจะเห็นได้ชัดเจนจากขอบเขตการกระจายของสัตว์ทะเล ไม่ว่าจะเป็นลักษณะการกระจายตามภูมิศาสตร์หรือแม้แต่การกระจายตามหาดหิน หาดทราย และหาดเลน จะขึ้นกับความทนทานของสัตว์ทะเลต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิและสภาวะการสูญเสียน้ำจากตัว สัตว์ทะเลที่เลี้ยงลูกด้วยนมและนกจัดเป็นสัตว์เลือดอุ่นพวกนี้สามารถรักษาระดับอุณหภูมิของร่างกายให้คงที่ ซึ่งจะต่างจากพวกปลาและสัตว์ทะเลที่ไม่มีกระดูกสันหลัง สัตว์กลุ่มหลังจัดเป็นพวกสัตว์เลือดเย็น พวกนี้โดยทั่วไปจะมีอุณหภูมิของร่างกายเท่ากับอุณหภูมิของน้ำทะเลภายนอก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจะส่งผลต่ออัตราเมแทบอลิซึมของร่างกาย ตามปกติถ้าอุณหภูมิเพิ่มขึ้นประมาณ ๑๐องศาเซลเซียส จะทำให้อัตราเมแทบอลิซึมหรือเราอาจวัดจากอัตราการหายใจของสัตว์จะเพิ่มขึ้น๒-๓ เท่า ดังนั้นถ้าอุณหภูมิสูงขึ้นจะทำให้ร่างกายของสัตว์ทะเลต้องการพลังงานมากขึ้นเพื่อให้เป็นสัดส่วนกับอัตราการหายใจที่เพิ่มขึ้น มีการใช้พลังงานเพิ่มขึ้น กุ้ง หอย ปู และปลา สามารถเคลื่อนที่หนีสภาพอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมได้ โดยเฉพาะในช่วงน้ำลงในเขตน้ำขึ้นน้ำลง หอยแมลงภู่ที่เกาะอยู่ตามหาดหินจะปิดฝาของมันแน่นเพื่อป้องกันการสูญเสียน้ำออกจากตัว สัตว์บางชนิดเช่น ปูตัวเล็กๆ หอยฝาเดียว และไส้เดือนทะเลอาจเคลื่อนตัวไปอยู่ในกอสาหร่ายหรืออาศัยแทรกตัวอยู่ในกลุ่มหอยแมลงภู่หรืออยู่ตามซอกหินดอกไม้ทะเลขนาดเล็กมักอยู่รวมกันเป็นกลุ่มใหญ่เพื่อช่วยลดสภาวะการสูญเสียน้ำจากตัว หอยฝาเดียวที่อยู่บริเวณหาดหินที่รับแสงแดดโดยตรงมักมีเปลือกหนาและรวมกลุ่มกันโดยมีการปล่อยเมือกออกมา นอกจากนี้สีของตัวสัตว์เองอาจช่วยในการลดอิทธิพลของความร้อน พื้นผิวที่เป็นสีเข้ม
อุณหภูมิยังมีความสำคัญต่อการเติบโตและการสืบพันธุ์ในสัตว์ทะเลหน้าดิน สัตว์ทะเลหน้าดินมักเติบโตและสืบพันธุ์ในช่วงอุณหภูมิที่แคบกว่าช่วงอุณหภูมิที่มันดำรงชีพอยู่ได้ อุณหภูมิจะเป็นตัวกำหนดช่วงเวลาสืบพันธุ์และการวางไข่ของสัตว์ทะเลตลอดจนวิธีการสืบพันธุ์ สัตว์ทะเลหน้าดินจะปล่อยไข่และสเปิร์มออกมาในแหล่งน้ำเมื่อถึงอุณหภูมิที่พอเหมาะเท่านั้น ด้วยเหตุนี้จึงมีการกระตุ้นให้หอยสองฝา เช่น หอยนางรม ปล่อยไข่และสเปิร์มออกมาเพื่อผสมเทียมโดยการเปลี่ยนอุณหภูมิของน้ำอย่างฉับพลัน อุณหภูมิยังมีผลต่อระยะเวลาในการพัฒนาของไข่และตัวอ่อนอีกด้วย
