تشمل الجزيئات الحيوية التي يتم دراستها في الأحياء البحرية الجزيئية مجموعة متنوعة من المركبات والعوامل الحيوية التي تؤثر على الحياة في المحيطات، وتشمل:
1- الأحماض النووية والبروتينات: حيث يتم دراسة هذه الجزيئات لفهم ترميز الجينات وعملية الترجمة التي تؤدي إلى تكوين البروتينات، وكذلك التأثيرات المختلفة لأي تغييرات جينية أو بروتينية على الخصائص الحيوية للكائنات المائية.
2- الليبيدات والميكروبات: اذ تلعب الليبيدات والميكروبات دورًا هامًا في البيئات المائية، حيث تمثل مصادر كبيرة للطاقة والمواد الغذائية للكائنات الحية الأخرى، وتشارك في عمليات التحلل الحيوي.
3- الكربوهيدرات: حيث يتم دراسة الكربوهيدرات لفهم المسارات الايضية المختلفة في النباتات والحيوانات المائية، وتحليل التغييرات التي تحدث في مستويات السكر في البيئات المائية وكيفية تأثير هذه التغييرات على الحياة البحرية.
4- الهرمونات والإشارات الخلوية: حيث يتم دراسة هذه الجزيئات لفهم نظام الاتصال والتواصل بين الكائنات المائية، وكيفية تأثير هذا التواصل على سلوك ونمو الكائنات المائية.