水下实验室的设想是20世纪20年代提出的。美国的“海中人-1号”和法国的“大陆架-1号”水下实验室率先在地中海试验。到了1977年1月，苏联的“底栖生物-300号”水下实验室，作业深度已达300米，自持力14天，可容纳12名乘员。当代水下实验室的下潜深度可超过300米，在没有补给的情况下，作业期限通常为两周，最长可达59天。设置在海底的供科学家和潜水员休息、居住和工作的活动基地，称水下居住舱。它是根据饱和潜水技术原理设计的，可以移动，是从事水下调查研究和潜水作业的重要工具。
水下实验室系统通常由水面补给系统、人员运载舱和水下实验室三部分组成。水下实验室有工作室、寝室和出入口室（闸室），并带有厨房、厕所、浴室等生活设施。其内部气压与设置深度水压相等。气体成分根据水下生活要求一般配制为氮、氧或氦、氮、氧混合气体。实验室内外压力平衡时，海水是不会进入室内的，人员可以通过阀门室自由出入。实验室内压力、温度、湿度和气体成分由仪表自动监控。外部一般附有高压气瓶、压载水舱和固体压载等，通过压载水舱注、排水使实验室下潜、上浮。
实验室的电力、呼吸气体、淡水和食物由陆上、补给船或补给浮标等补给站，通过电缆、水管、气管组合的“脐带”供应。潜水人员作业完毕返回正常环境之前，要通过减压舱进行减压。水下实验室壳体一般为耐压高强度钢制成，也有采用橡胶、塑料以及丙烯玻璃等材料的。并且，海中还建有海底隧道，海底隧道是为了解决横跨海峡、海湾之间的交通，而又不妨碍船舶航运的条件下，建造在海底之下供人员及车辆通行的海下建筑物。海底隧道不占地，不妨碍航行，不影响生态环境，是一种非常安全的全天候的海峡通道。目前，全世界已建成和计划建设的海底隧道有20多条，主要分布在日本、美国、西欧、中国香港九龙等地区。
1962年，美国“海中人-1号”和法国“大陆架-1号”水下实验室首次在地中海进行试验。初期的水下实验室固定于水下，依靠补给船的起重机吊放海底。以后的水下实验室可以通过压载水舱注、排水，做沉浮的垂直运动，并向作业水深大、自持力强和机动性能好的方向发展。如苏联1977年1月下水的“底栖生物-300号”作业深度就可达300米，自持力14天，可容纳12名乘员。由于通信联络、保暖措施、安全减压等方面仍有难以解决的问题，加上造价昂贵，水下实验室目前仍处于实验研究阶段，今后水下实验室的发展方向是：作业深度大、自持力强、机动性好，同潜水艇、深潜水系统结合成为具有高度机动性能的综合水下活动基地。
在美国佛罗里达州拉哥礁海海底，便有一个名叫“宝瓶座”的海底实验室，它是当今世界仅存并仍在运作的海底研究站。“宝瓶座”被放置在海面下20米深处，外观好似一艘潜水艇，总重量81吨。科学家通常先乘船到它的上方，换上潜水装，再潜入海底。“宝瓶座”虽然体积不大，但可容纳6人居住。科学家们主要在这里研究珊瑚、海草、鱼类等生物和水质等生态环境的变化，并记录自身在海底生活的各种生理状况。通常情况下，科学家可在实验室连续住上数星期，所需食物和工具都被装在防水的罐子里由潜水员定期送往实验室。但是水下生活给科学家们也带来了不少困扰。由于“宝瓶座”里的空气浓度是水平面上的2.5倍，人体吸入氮的含量会随之增高，嗓音会变得奇怪，耳膜也会感觉到较大的压力，就连食物的味道也会变得淡而无味。不过，海底实验室还是给科学家们带来了不小的希望，他们想通过它掌握更多人类在水下生活所需的各种信息，期望有朝一日，人类能向广阔的海洋移民。
海底实验室是人类对海洋探索的必然产物，它的出现方便了科学家对海洋生物的观察与研究，是人类与海洋生物接触的媒介，更是人类科学技术取得巨大进步的一个证明，相信会有更多的科学实验与惊人发现在这里产生，成为人类的骄傲。
