海水分析化學是研究海水中各種組分的分析方法的科學，它是海洋化學的一個重要分支，在研究和發展其他海洋學科中也起著重要的作用。其研究內容包括海水采樣、樣品處理、待測組分的分離、富集和測定方法。
海水分析的早期工作，是從建立海水中主要溶存成分的分析方法及其含量的測定開始的。19世紀80年代，迪特馬爾測定了采集自世界各大洋的77個水樣的主要溶解成分，進一步證實了海水組成恒定性這一重要規律。
1902年，克努曾提出了氯度和鹽度的概念，建立了海水氯度的分析方法，從氯度的測定值計算海水鹽度在海水溶解氧、堿度等的分析方法建立之后，就能夠研究海水的二氧化碳系統和溶解氧的分布和變化。
從二十世紀開始，由于對海洋生物生產力研究的需要，開展了海水中微量營養成分的分析，特別在二十世紀前半期zui為活躍。對海水微量元素的分析，從50年代前就已經開始，但直到60年代后期和70年代初，由于應用了分析化學中的新方法和新技術，才得到迅速的發展。
二十世紀70年代，海洋環境科學的崛起，促進了海洋中痕量污染物，如有毒金屬、農藥和烴類等的分析方法的發展。能夠分析和必須分析的海水中的元素，幾乎涉及了自然界存在的所有元素，其濃度范圍從常量元素的約每升20克至放射性核素的每升一百億億分之一克，有時還要求測定各成分不同形態的含量。
海水是一個復雜的多組分的多相體系，包括多種有機和無機的、溶解態的和懸浮態的物質，其含量約為3.5%，其中各組分的含量相差懸殊。11種主要溶解成分在海水中占總鹽分的99.99%,其他成分的含量均在百萬分之一以下，其中大多數成分的含量都在痕量或超痕量的水平。
海水的這些特點，對海水分析帶來很大的影響。例如：大量基體鹽類對測定的影響，有機物及微生物的活動影響。多相體系是否分離，對分析也有影響，特別是在痕量或超痕量成分分析時，對分離、富集和測定的方法，都有具體的要求。
海水分析所面臨的對象是廣闊的海域，樣品的數量很多，種類也不同(海水、微表層海水、間隙水等)，要求分析方法和使用的儀器必須靈敏、簡便、快速和適用于船上的工作條件，特別是建立能快速測定的現場自動分析儀器和方法。此外，采樣技術的研究，樣品貯存和防止沾污，海水分樣方法的相互校準和規范化等，也都是十分重要的問題。
要得到真正代表某一水體瞬時含量的結果，水樣的采取和貯存是極其關鍵的一步，特別是痕量元素的分析更是如此。采樣的主要方式有三種：采水器采樣；用泵抽取水樣；利用吸附、離子交換或電沉積等方法，使待測的元素或化合物在現場富集采樣。其中以采水器法較為通用。
使用采水器采樣，要根據待測成分的性質和濃度，選擇zui適宜的采水器。對采水器的一般要求能使采水時瓶內外的水迅速而充分地進行交換；關閉系統密封可靠；材料有抗腐蝕性、不沾污水樣和不吸附待測成分；采水器不宜太重等。
分析微量金屬時，不能用金屬采水器采樣。在進行深層采水時，要避免鋼絲纜繩的鐵銹和油脂等帶來的沾污。精細水體結構分析的垂直或水平的連續采樣，可用泵取采樣系統。為減少泵對水樣的沾污，多采用塑料潛水泵。這類采樣方式和多種參數(溫度、鹽度、深度、溶解氧、pH等)的傳感器相結合，可組成海上走航的連續自動調查系統。
現場的采樣富集設備，大都由采水、過濾、富集等幾個環節組成。經泵取系統采水并過濾后的水樣，可通過吸附劑進行富集，也可通過電沉積的方法進行富集。
海水中含有懸浮顆粒物質，可用減壓抽濾、壓濾或離心分離等方法加以分離。無論抽濾或壓濾，均應注意使用適當的真空度和壓力，否則會使浮游植物細胞破裂，導致溶解有機物和重金屬的含量增加；用離心分離法時，分離的效率和所分離的物質的狀態，決定于離心速度、離心分離的時間和懸浮物的顆粒大小。當離心機的轉速大于10000轉/分的時候，可分離包括膠體在內的海水中的懸浮物。在這些方法中，常用抽濾或壓濾法，而且習慣上用平均孔徑為0.45微米的濾膜過濾海水樣品，除去懸浮物質。事實上，所得的濾液，仍含有小于0.45微米的固體物質和膠態物質。
常用于貯存海水樣品的容器大致分為兩類：硬質玻璃容器，用于貯存測定有機成分、磷酸鹽、硝酸鹽汞等的水樣；高密度聚乙烯或聚丙烯容器，用于貯存測定主要成分、營養鹽和微量金屬的水樣。
微量營養成分的水樣，由于生物和酶的作用，采樣之后濃度變化很快。可加入氯仿、氯化高汞或酸等化學試劑，并且快速冷凍，使微生物停止活動。
微量金屬的水樣，因待測成分的含量低，其濃度和形態在貯存期間的變化更顯著。采樣后應立即過濾，加入試劑后，將水樣放在低溫(4℃)或冰凍條件下保存。
海水中的主要元素通常遵守海水組成的恒比關系。由于這些元素主要形成鹽類而溶存于海水之中，故必須了解海水的含鹽量，它可用海水鹽度來表示。通常測定海水的氯度或鹽度。海水的氯度常用摩爾-克努曾法或法揚司法測定。
鈉、鈣、鎂、硫等其他常量元素的測定方法，有重量法、容量法，及為提高精密度和準確度所采用的電位滴定法和光度滴定法等。要研究海水中常量元素和氯度比值的變化，至少要求具有±0.15％的精密度和準確度。為提高海水中的鈣、鎂、硫酸根等的測定方法的準確度，一般采用離子交換樹脂除去干擾離子，然后測定。應用示差色譜法可分辨鈣、鎂、鈉、鉀的氯度比值之間的微小差別。用同位素稀釋法可研究鍶的氯度比值。
此外，在對準確度要求不高的情況下，可用火焰分光光度法、原子吸收分光光度法和離子選擇電極法測定鈉、鉀、鈣、鎂、鍶等；還可用離子選擇電極法測定氟；海水的pH和堿度的測定則多采用pH電測法；海水中溶解氧的測定，除采用經典的溫克勒容量法外，還可采用氣相色譜法和極譜法等電測法進行測定。
海水中的磷以溶解態無機磷、有機磷和顆粒態磷等幾種形式存在。所有測定磷的方法都首先把磷化合物轉化為無機磷酸鹽，加入酸性鉬酸試劑，使其形成復雜多酸，再還原成鉬藍，然后進行光度測定。用過的還原劑有氯化亞錫、抗壞血酸、米吐爾等。自1962年提出銻鹽抗壞血酸鉬藍法后，由于該法具有結果穩定、還原時間短，而且不需要校正鹽誤差等優點，而被廣泛采用。
靈敏度足夠高的海水微量元素的直接測定法不多，加上海水中有大量基體鹽類存在，不易得到可靠的結果常先用分離富集方法，消除干擾，并提高待測微量成分的濃度，然后進行測定。
海水中的有機物含有氨基酸、碳水化合物等來自生物的物質，以及石油烴、氯代烴類殺蟲劑等人為的環境污染物。它們的濃度一般都很低，因此在大量無機鹽存在的情況下分析有機物時，必須預先用蒸發、溶劑萃取、電泳脫鹽和離子交換樹脂分離等方法加以濃縮。常用的分析方法有分光光度法、色譜法、熒光分析法和紅外吸收光譜法等。
在沿岸海域的海水中，酚類化合物的濃度較大，它主要是工業污染物，少量是由潮間帶的固著藻類分泌出來的，一般采用比色法分析。也可用熒光法和極譜法，測定酚類化合物。個別酚類化合物可用大孔陰離子交換樹脂進行分離，然后用氣相色譜法或氣相色譜-質譜聯用法測定。用液相色譜法可分析某些具有天然熒光的酚類。
在海水中有自然存在的和人類活動引入的表面活性物質，它們集中于海-氣界面，必須用特殊的采樣器采樣。人為的陰離子表面活性劑，可用次甲藍分光光度法測定，也可在試樣中加入過量的陽離子表面活性劑，酸化后用四苯硼化鈉標準溶液滴定。此外，還可應用金屬化合物與陰離子表面活性劑生成絡合物后，用有機溶劑萃取，再用原子吸收法測定金屬的含量。
對人為的陽離子表面活性劑，可在試樣中加入過量的陰離子表面活性劑后，用與上面相似的方法測出其含量。若需鑒定各組分，可用液相色譜法分離后加以測定。海水中自然存在的表面活性物質，可用極譜法或分光光度法測定。為了分析數量很多的海水樣品，在現場進行連續自動測定。
海水自動化學分析系統主要由取樣器、蠕動泵、分析線、延遲和反應系統、流動式比色計記錄裝置等幾部分所組成。根據上述原理已設計和生產出多種測定氮、磷、硅等微量成分和有機碳的自動分析系統。
在另一類自動分析中，使用了傳感器，將傳感器投放于海水中，連續走航記錄。但是，傳感器的靈敏度還不夠高，還只能進行鹽度、pH、氧化還原電位、溶解氧、濁度、氟離子濃度等少數項目的測定。
海水分析化學雖然已發展成為分析化學和海洋化學中較系統的一個分支學科。但是，海洋科學的發展，仍給它提出了許多有待解決的課題。