تواجه العلماء العديد من التحديات في دراسة الأحياء البحرية الجزيئية، ومن أهم هذه التحديات:
1- الحصول على عينات من الكائنات البحرية النادرة والصعبة العثور عليها.
2- تحديد نمط الحياة والبيئة الطبيعية للكائنات البحرية.
3- فهم التفاعلات المعقدة والتيارات البحرية التي تؤثر على توزيع ونشاط الكائنات البحرية.
4- تحديد الآليات الوراثية للكائنات البحرية وتفسير تأثير التغييرات البيئية على هذه الآليات.
5- تحديد تأثير التلوث البحري على الكائنات البحرية والبيئة البحرية.
6- تحديد تأثير التغيرات المناخية على الكائنات البحرية والبيئة البحرية.