海洋生物化学是研究海洋生物的化学组成、代谢以及生物体与海水环境间的生物化学过程的学科。它是海洋生物学的一部分，也是海洋化学的一个重要领域。海洋生物化学的研究有助于阐明生命起源和进化、海洋生物生产力的化学基础和生物的活动规律，并与海洋生物资源的开发利用等有密切的联系。
海洋生物化学的研究是从对各种海洋生物的化学元素分析开始的。早在17、18世纪，就对海洋生物体中的碳、硫、磷、氢、氧等元素有所测定。20世纪30年代，从环节动物沙蚕中分离出沙蚕毒素，20世纪50年代又从海人草等中分离出海人草酸等代谢物，并确定其化学结构及合成；同时，开始研究海藻的碳代谢。
20世纪60年代以来，对海洋动物脂肪的代谢、结构和功能，以及海藻多糖代谢与结构等方面的研究取得了较大进展；对海洋生物中的化学传讯物质——信息素的分离、结构和功能的研究迅速增多；还广泛地研究了海洋中的有机物及其生化过程。
中国学者自20世纪60年代以来，在海带碳代谢、海藻多糖化学组分、海藻多糖酶、海藻氨基酸、海藻色素蛋白，以及海洋动物天然产物的分离与鉴定和海洋文昌鱼蛋白等方面的研究都取得了一些成果。
海水中除含有足够的氧和二氧化碳外，还含有生物生长必需的氮、磷、硅等营养盐类和各种微量元素，为有机物的发生和海洋生物的生长提供了必需的物质条件。浮游植物是海洋生物生产力的初级生产者，它们接受日光能，利用海洋中的水、二氧化碳和营养盐类合成基本的有机物。
在生物体内光合成对呼吸引起的生物体的分解的比值，在大洋中大致保持一定。浮游植物在海洋食物链中既是植食性动物的饵料，同时经分泌、排泄和分解又向海水提供大量的糖类、蛋白质、氨基酸、脂肪酸、维生素、甾醇等溶解有机物，以及残骸碎屑等颗粒有机物。这些有机物在海洋中的循环，成为食物链中各营养级次的养料。
海洋细菌对海洋中的元素循环起着重要作用。海洋生物经细菌分解，释放出的大部分氮成为铵离子，然后被细菌氧化为亚硝酸盐，继而形成硝酸盐。这过程在表层水中主要依靠光化学氧化进行。浮游植物消耗硝酸盐和磷酸盐，致使海水中的氮、磷比值大致保持恒定。
生物残骸经微生物分解成氨、磷酸等物质，释放到海水中，又为浮游生物所利用。细菌还能使海水和沉积物中的高分子有机物分解成二氧化碳，使硫化氢氧化成硫酸盐；在缺氧条件下，又能使硫酸盐还原为硫化氢。对海底铁锰氧化物凝结体的形成，细菌亦起着积极的生化作用。
海洋生物的代谢原理与途径，如光合作用、呼吸作用、能量代谢，以及一级代谢物(蛋白质、核酸、脂肪等)，基本上与陆地生物相似。但各种代谢细节，特别是次级代谢，则有着明显的差异，生成了陆地上所没有的多样化的次级代谢物。
海洋哺乳动物的海豚和鲸的声呐系统，是现代声学研究的重要课题。海豚头部具有回声定位组织，主要由三酰甘油和蜡酯等化学物质构成。两者都含有大量的异戊酸、较长链的异构酸等。研究表明，L-亮氨酸经转氨酶、三磷酸腺苷和酰基磕激酶的酶系统而产生异戊酰辅酶，然后增伸链长，生成长链的异构酸，再渗入到脂肪中。这方面的研究有助于了解海豚的声组织中脂肪类的代谢和传声功能。
海洋生物因其特殊的生理需要，能从海水中吸收并浓缩无机金属离子和非金属离子，其浓度可比周围海水高出几千倍甚至几万倍。被吸收的离子参与细胞质、色素、酶、血液、蛋白质、多糖、维生素等的合成与代谢，或构成其中的成分。
随着工业的发展，有毒重金属离子、放射性元素以及有机农药和化工污染物等随河流、大气进入海洋。在近海，它们大部分被吸附在悬浮的颗粒物上沉于海底，部分则由海洋生物吸收、浓缩，继而经食物链转移到底栖生物和鱼类中。
有的金属离子(如汞)，在生化过程中转变成有毒的甲基化形态，直接危害人类的健康和生命。现各国正在加强研究各种污染物在海洋生物中的存在、积累和转移等代谢历程，揭示其代谢规律；并已确认一些底栖动植物，如贻贝、巨藻可作为研究污染物的指标生物。
海洋动物中含有某些糖蛋白、多肚甾醇、酮基化合物等激素，可以协调个体内的各细胞，保持全个体的统一，控制生物体的各种机能。如棘皮动物海星类的卵成熟激素，虾蟹的变色和蜕皮激素等。
由化学物质控制的生物之间的相互作用，称为化学感受。这些化学物质称为化学传讯物质，在生物种内起着控制诱导、告警、集群、辨别家族等作用的传讯物质，称为信息素。依对双方的利害，分别称为利己信息素和利他信息素。化学感受现象在海洋生物中很明显，以弥补它们在混浊、黑暗的环境中视觉等功能的不足。
海洋生物的代谢物具有奇异的化学结构，不少可用作药物。如由海产蕨藻中分离出的蕨藻素，软体动物海兔中分离出的海兔毒素和骏河毒素，海绵动物中分离出的海绵毒素，腔肠动物中分离出的海葵毒素，以及沙蚕毒素、河豚毒素、雪加毒素等，它们都是含芳香族、含卤和含氮的化合物，具有抗菌、抗肿瘤、抗癌等药效。人们已按沙蚕毒素的化学结构合成了对人畜无害而有效的杀虫剂。
此外，从软珊瑚中分离出前列腺 素；从软骨藻、海人草、凹顶藻、海头红等中分离出海人草酸、软骨藻酸、含卤脂肪酸、烃类、萜类等化合物，具有驱蛔虫、降血脂、抗菌、抗炎、抗肿瘤等不同药效。
