Zemūdens arheoloģijas pētījumu objekts ir visdažādākās liecības par cilvēka dzīvi senatnē – nogrimušu kuģu un lidmašīnu vraki, navigācijas šķēršļi, akas, ar ūdeni piepildītas grotas un alas, ūdens līmeņa svārstību rezultātā zem ūdens nokļuvušas senas apmetnes, pilsētas, kapulauki un ainavas. Zemūdens arheoloģija pēta šos objektus, izmantojot sauszemes arheoloģijā aprobētās metodes, taču, lai piekļūtu pētāmajiem objektiem, visbiežāk jāizmanto nirēju aprīkojums, tāpat tiek izmantotas arī vairākas tehniskas, zemūdens videi specifiskas tālizpētes metodes. Zemūdens arheoloģijas pētītie objekti nereti nav pilnībā vai pastāvīgi zem ūdens, tāpēc bieži ir grūti nošķirt robežu starp zemūdens arheoloģiju un sauszemes arheoloģiju, kas pēta objektus ļoti mitros apstākļos. Zemūdens un sauszemes arheoloģiskie izpētes darbi bieži notiek paralēli, jo daļa pētāmā objekta (piemēram, senas ostas vietas) atrodas zem ūdens, bet daļa – sauszemē; tikai veicot pētījumus abās senvietas daļās, iespējams iegūt pilnīgu priekšstatu par tās funkciju un nozīmi.

Pieņemts, ka, atšķirībā no sauszemes arheoloģijas, zemūdens arheoloģijas pētījumu objekti ir arī jaunāko laiku vēstures liecības, piemēram, 20. gs. sākuma kuģu vraki. 2001. gadā Parīzē pieņemtajā Apvienoto Nāciju Izglītības, zinātnes un kultūras organizācijas (United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, UNESCO) Konvencijā par zemūdens kultūras mantojuma aizsardzību definēts, ka zemūdens kultūras mantojums ir visas kultūras, vēsturiskās vai arheoloģiskās cilvēku eksistences liecības, kas daļēji vai pilnīgi, periodiski vai nepārtraukti vismaz 100 gadus atrodas zem ūdens.

Angļu valodā nereti tiek lietots arī termins maritime jeb marine archaeology, kas apzīmē arheoloģijas novirzienu, kas īpaši pievēršas cilvēka un ūdens saiknēm (ostām, kuģiem utt.), neskatoties uz to, vai šīs liecības atrodas zem ūdens vai uz sauszemes, tādēļ robežas starp zemūdens arheoloģiju un marīno arheoloģiju ir visai izplūdušas, un šie termini bieži tiek lietoti kā sinonīmi. Dažkārt tiek īpaši izdalītas arī tādas arheoloģijas apakšnozares kā kuģu arheoloģija (nautical jeb ship archaeology) un mitrāju arheoloģija (wetland archaeology), kuru izpētes tēmas un metodes lielā mērā iekļaujas vai pārklājas ar zemūdens arheoloģiju. Latviešu valodā padomju okupācijas periodā un nereti vēl 20. gs. 90. gados lietots no krievu valodas aizgūtais latviskojums “hidroarheoloģija”, ko mūsdienās vairs nelieto.

Līdzīgi kā sauszemes arheoloģijā, arī zemūdens arheoloģijā lielākā uzmanība ir bijusi pievērsta izpētes praktiskajām metodēm, nevis teorētiskajām konstrukcijām. Pēc savas informatīvās būtības zemūdens vidē iegūtais arheoloģiskais materiāls ne ar ko neatšķiras no sauszemes izrakumos iegūstamā, tāpēc arī zemūdens arheoloģijā ir aktuālas tādas arheoloģijas teorētiskās pieejas kā kultūrvēsturiskā, procesuālā un postprocesuālā skola.

Meklēt kuģu vrakus vai citas liecības, nirstot un pārbaudot jūras gultni, plašās teritorijās ir praktiski neiespējams gan izpētāmo teritoriju izmēru, gan dabas apstākļu un lielo dziļumu dēļ. Tāpēc plaši tiek izmantotas dažādas tehnoloģiskās iespējas veikt attālinātu jūras gultnes apzināšanu, izmantojot pētniecības kuģos uzstādītās mērierīces.

Vispopulārākā un praktiskākā metode ir pētījumi ar sānskata sonāru (side-scan sonar): pie kuģa korpusa piestiprinātu vai aiz tā tauvā vilktu mērierīci, kas izplata skaņas viļņus frekvencē no 400–900 kHz. Skaņas viļņiem atstarojoties no jūras dibena un objektiem virs tā, mērierīce fiksē to atgriešanās ātrumu un izveido ēnotu attēlu, kurā redzami virs gultnes esošie objekti. Šī metode ļauj relatīvi ātri apzināt lielu akvatoriju un iegūt pirmo priekšstatu par atrastajiem kuģu vrakiem, to novietojumu un strukturālo stāvokli. Cita zemūdens akustiskā tālizpētes metode, kas ļauj ātri pārskatīt plašu teritoriju, ir skenēšana ar daudzstaru eholoti (multibeam echosounder), ko bieži izmanto hidrogrāfi. Šī metode sniedz labus rezultātus, kartējot jūras gultni, un ar tās palīdzību var atpazīt jūras gultnes reljefa anomālijas, kas varētu būt vraki, tomēr ar to iegūtie dati parasti nesniedz gana detalizētu priekšstatu, lai varētu saprast atrastā vraka tipu un saglabātības stāvokli. Salīdzinoši labākus rezultātus ar šo metodi var iegūt, apzinot labi saglabājušos, lielus metāla kuģu vrakus, kas izteikti izceļas virs jūras gultnes.

Nereti kuģu vraki vai zemūdens konstrukcijas var būt saglabājušās tikai zem jūras gultnes virsmas, šādos gadījumos to meklēšanā var tikt izmantots gultnes profilētājs (sub-bottom profiler) – akustiskās tālizpētes ierīce, kas emitē skaņas signālus īpaši zemā frekvencē (2–23 kHz) un tādējādi spēj uzrādīt zem gultnes esošas konstrukcijas un slāņus, kuru blīvums ir atšķirīgs no apkārtējās vides. Šīs ierīces rādījumu interpretācija ir ļoti sarežģīta, un tās veiksmīgai izmantošanai nepieciešama liela pieredze. Zem gultnes esošu metāla objektu meklēšanai var tikt izmantots magnetometrs.

Pēc kuģa vraka vai citu liecību atklāšanas nepieciešams par tām gūt vizuālu priekšstatu. Parasti šādās situācijās tiek piesaistīti nirēji, kas ir ekipēti un apmācīti darbam attiecīgajā dziļumā, – nereti viena zemūdens arheologa vadībā darbojas vesela komanda ar profesionāliem tehniskajiem nirējiem. Nirēju darbu līdztekus redzamībai visbūtiskāk apgrūtina vraka atrašanās dziļums, – jo dziļāk ir vraks, jo nepieciešams dārgāks aprīkojums, labāka apmācība un lielāka piesardzība, tāpat būtiski samazinās laiks, ko nirējs var pavadīt, veicot zemūdens darbus. Tāpēc mūsdienās nereti tiek izmantoti zemūdens droni, kas var sasniegt vrakus ļoti lielā dziļumā un uzturēties pie tiem ilgu laiku, veicot vraka filmēšanu, taču dronu iespējas veikt mērījumus vai kādu priekšmetu izcelšanu ir ļoti ierobežotas.

Pirmais uzdevums pirms tālākiem darbiem jebkurā zemūdens arheoloģiskajā objektā ir tā sākotnējā uzmērīšana. Vēsturiski tam izmantotas mērlentes, fiksējot mērījumus plānā ar zemūdens darbiem piemērotiem rakstāmrīkiem uz ūdensdroša papīra. Tā kā ierobežotās redzamības dēļ nirējiem, atrodoties pie kuģa vraka vai cita zemūdens objekta, faktiski nav iespējams to aptvert pilnībā, viņi pēc sākotnējiem uzmērojumiem un atsevišķu detaļu fotogrāfijām sagatavo visa kuģa vraka kopējo skici. Tomēr šāda uzmērīšanas metode ir neprecīza un laikietilpīga, tāpēc, attīstoties tehniskajām iespējam, pēdējo 10 gadu laikā par standarta praksi kļuvusi trīsdimensionālu fotogrammetrisko modeļu izgatavošana. Lai izgatavotu šādu digitālu vraka modeli, nepieciešams uzņemt lielu skaitu zemūdens foto vai, biežāk, visu vraku nosedzošu videomateriālu, kas ar datorprogrammas palīdzību tiek sadalīts atsevišķos kadros. Kombinējot tūkstošiem kadru, datorprogrammā tiek radīts digitāls, telpisks, precīzi mērogots vraka modelis, ko pēc tam iespējams izmantot gan vraka pētniecībā, gan prezentējot objektu sabiedrībai. Šī metode ļauj būtiski paātrināt objekta uzmērīšanu un iegūt ļoti precīzu tā atveidu.

Zemūdens izrakumi tiek veikti, mēģinot ievērot tos pašus precīzās fiksācijas un pakāpeniskās atsegšanas principus, kas tiek ievēroti sauszemes arheoloģijā. Tomēr darbi zem ūdens ir tehniski, organizatoriski un fiziski nesalīdzināmi sarežģītāki. Atkarībā no dziļuma, pētāmā objekta un konkrētajiem vides apstākļiem var būtiski atšķirties izmantojamie instrumenti, – seklā ūdenī esošās kūdrainās augsnēs (piemēram, applūdušās akmens laikmeta apmetnēs) var tikt izmantotas nelielas lāpstiņas, otas un citi ierasti arheologu darbarīki. Smilšainās gruntīs vai dūņainās vietās vienīgais veids, kā atbrīvot pētāmo objektu no to nosedzošajiem slāņiem, ir izmantot spēcīgu ūdens strūklu, ar ko smiltis vai dūņas tiek aizskalotas, vai ežektoru – jaudīgu motorsūkni, kas uzsūc smiltis, dūņas un citus nogulumus uz pētnieku izmantotā peldlīdzekļa. Tādējādi tiek atsegts pētāmais objekts, bet uz peldlīdzekļa citi komandas biedri caurskata izsūknēto materiālu, un tas tiek filtrēts caur sietiem, lai uzietu sīkākas senlietas.

Zemūdens vidē ārkārtīgi labi saglabājas koka un citu organisko materiālu paliekas, kas sauszemes apstākļos saglabājas ļoti reti vai nesaglabājas nemaz. Tāpēc zemūdens arheoloģija ir īpaši būtiska, jo dod priekšstatu par vienkāršākajiem ikdienas priekšmetiem un sadzīvi, kas nav fiksēta rakstītajos vēstures avotos un neatspoguļojas sauszemes arheoloģisko senvietu materiālā. Taču, izceļot koka senlietas vai koka kuģu vraku detaļas no tās simtiem gadu konservējušās zemūdens vides, priekšmetiem izžūstot, sākas ļoti straujš to sabrukšanas process. Tāpēc pirms jebkādu organisku materiālu izcelšanas no zemūdens vides jābūt sastādītam plānam to tālākai konservācijai un uzglabāšanai ar attiecīgu piesaistīto finansējumu un institucionālo bāzi. Līdzīgi steidzama stabilizācija un konservācija nepieciešama arī no zemūdens izceltiem dzelzs priekšmetiem, īpaši ļoti sāļa ūdens gadījumā. Izceltās senlietas iespējams pētīt ar arheoloģijā ierasti aprobētajām tehniskajām metodēm. Taču, ņemot vērā to, ka zemūdens vidē iespējams atsegt īpaši daudz koka konstrukciju, neaizvietojama metode kuģu vraku un zemūdens konstrukciju datēšanā ir dendrohronoloģija. Nereti paraugi dendrohronoloģiskajai datēšanai tiek paņemti no zemūdens konstrukcijas bez tās izcelšanas, tādējādi pēc iespējas mazāk iejaucoties tās stabilajā stāvoklī.

Cilvēki jau kopš senatnes ir niruši un ar dažādiem palīglīdzekļiem centušies paildzināt laiku, ko iespējams pavadīt zem ūdens, un ienirt vēl dziļāk. Nereti šie niršanas darbi notika, lai atgūtu no dzelmes tajā nogrimušu kuģu inventāru, ieročus vai kravu. Tomēr līdz pat 20. gs. šie centieni ar dažiem izņēmumiem bija saistīti ar praktisku interesi gūt materiālu labumu, nevis nodarboties ar kultūras mantojuma izpēti. 20. gs. 40. gados franču nirējs Žaks Īvs Kusto (Jacques-Yves Cousteau) kopā ar inženieri Emīlu Gaņānu (Émile Gagnan) konstruēja pirmo ērti lietojamo un masveidā ražoto autonomo niršanas iekārtu, ko nodēvēja par akvalangu. Tieši Ž. Ī. Kusto bieži tiek uzskatīts par zemūdens arheoloģijas aizsācēju, jo viņa pirmie panākumi kuģu vraku izpētē, kas tika aprakstīti viņa populārajā grāmatā “Klusā pasaule”, radīja priekšnoteikumus zemūdens arheoloģijas straujai attīstībai 20. gs. 50. gadu beigās un 60. gados.

1961. gadā pēc vairākus gadus ilgiem darbiem Stokholmā no ūdens tika izcelts izcili saglabājies zviedru karakuģa “Vasa” vraks. Tikai gadu vēlāk Dānijā, Roskildes fjordā pie Skuldelevas, tika pilnībā izpētīti un izcelti pieci 11. gs. vikingu kuģu vraki, kas kļuva par pamatu Roskildes Vikingu kuģu muzejam (Vikingeskibsmuseet) un ievadīja plašus pētījumus Ziemeļeiropas vikingu laikmeta un viduslaiku kuģniecības vēsturē. Savukārt 1965. gadā tika uzsākti angļu 16. gs. karakuģa “Mary Rose” vraka ilgstoši meklēšanas darbi un zemūdens izrakumi, kas noslēdzās ar kuģa vraka izcelšanu 1982. gadā. Paralēli pētījumiem Ziemeļeiropā notika arī aktīva pētniecība Vidusjūrā; kā vieni no agrākajiem un zemūdens arheoloģijas zinātnes attīstībā svarīgākajiem pieminami 1960. gadā uzsāktie izrakumi bronzas laikmeta kuģa vrakā Gelidonijas līcī pie Turcijas krastiem.

Pateicoties panākumiem 20. gs. 60. un 70. gados, zemūdens arheoloģija 80. gadu gaitā noformējās par pilntiesīgu arheoloģijas zinātnes apakšnozari, un to sāka pasniegt kā akadēmisku programmu universitātēs. Paralēli radās un nostiprinājās jomas institucionāli organizatoriskā bāze – muzeji un akadēmiski pētnieciskie centri, kas sāka izdot periodiskos izdevumus. 20. gs. 90. gados un 21. gs. pirmajās divās desmitgadēs zemūdens arheoloģija kā atzīta arheoloģijas zinātnes apakšnozare sāk iesniegties pasaules daļās arī ārpus Eiropas un Ziemeļamerikas, īpaši Dienvidaustrumāzijā, Austrālijā un Japānā.

Plašie izrakumi un slavenu kuģu izcelšana, konservēšana un eksponēšana muzejos 20. gs. 60.–80. gados ielika pamatus mūsdienu zemūdens arheoloģijas metodēm. Šie ambiciozie projekti arī parādīja to, cik resursu ietilpīga ir šādu ekspedīciju organizēšana un dārga un sarežģīta izcelto kuģu vraku konservācija un eksponēšana. Ievērojot šo pieredzi, mūsdienās viens no zemūdens arheoloģijas pamatprincipiem ir zemūdens kultūrvēsturiskā mantojuma saglabāšana in situ – tā sākotnējā atrašanās vietā. Šis princips ir nostiprināts gan 2001. gada UNESCO Konvencijā par zemūdens kultūrvēsturiskā mantojuma aizsardzību, gan 1996. gadā Sofijā pieņemtajā Starptautiskās ievērojamu vietu un pieminekļu padomes (International Council on Monuments and Sites, ICOMOS) Zemūdens kultūras mantojuma aizsardzības un pārvaldības hartā. Līdz ar to mūsdienās zemūdens arheoloģiskie izrakumi tiek veikti tikai pamatotas zinātniskās izpētes ietvaros vai tad, ja citādi kultūras mantojuma objekts neatgriezeniski aizietu bojā. Tāpat jāatzīmē, ka, līdzīgi kā sauszemes arheoloģijā, arī zemūdens arheoloģijā izpētes darbi lielākoties notiek saistībā ar ekonomiskajām aktivitātēm – vēja parku, kabeļu un citu infrastruktūras objektu būvniecību. Pēc izrakumu noslēguma tiek pievērsta īpaša uzmanība izpētes objekta tālākajam liktenim – kuģu vraku vai citu liecību izcelšanas nepieciešamība tiek ļoti rūpīgi izvērtēta. Par ierastu praksi ir kļuvusi zemūdens izrakumos iegūto liela izmēru koka kuģu būvdetaļu un pat veselu vraku pārvietošana uz drošām zemūdens novietnēm jūrā, kur tie ir dabiski iekonservēti un pieejami pētniekiem.

Gelidonijas vraka izpētes vadītājs, amerikāņu zemūdens arheologs Džordžs Bass (George Fletcher Bass) 1972. gadā dibināja Kuģu arheoloģijas institūtu (Institute of Nautical Archaeology), kas kļuva par svarīgāko pētniecības institūciju Vidusjūras austrumu daļā (atrodoties Bodrumas zemūdens arheoloģijas muzejā, Bodrum Sualtı Arkeoloji Müzesi, Turcijā) un uzsāka pirmos zinātniskos pētījumus arī Karību jūrā un citviet. Institūtam sadarbojoties ar Teksasas A&M universitāti (Texas A&M University), 1976. gadā tajā tika izveidota pirmā akadēmiskā zemūdens arheoloģijas studiju programma; tā turpina darboties vēl joprojām.

Nozīmīgākais zemūdens arheoloģijas pamatlicējs Ziemeļeiropā bija Skuldelevas kuģu pētnieks, dānis Ole Krumlins-Pedersens (Ole Crumlin-Pedersen), kurš 1969. gadā izveidoja svarīgāko vikingu laikmeta un viduslaiku kuģniecības un zemūdens arheoloģijas centru Ziemeļeiropā – Roskildes Vikingu kuģu muzeju. Mūsdienās pētījumus Ziemeļeiropas zemūdens arheoloģijā veic lielākā skaitā, bet mazākos pētniecības centros, kas pārsvarā saistīti ar nacionāla vai reģionāla mēroga jūras un jūrniecības muzejiem. Kā piemēri minami Polijas Nacionālais jūrniecības muzejs Gdaņskā (Narodowe Muzeum Morskie w Gdańsku), Vāsas muzejs (Vasa museet) un Vrak muzejs (Vrak – Museum of Wrecks) Stokholmā, Zviedrijā, un Igaunijas Jūrniecības muzejs (Eesti Meremuuseum) Tallinā. Svarīgi zemūdens arheoloģijas pētniecības centri Eiropā ir Sauthemptonas Universitāte (University of Southampton) Lielbritānijā, Leidenes Universitāte (Universiteit Leiden) Nīderlandē un UNESCO Starptautiskais zemūdens arheoloģijas centrs (International Centre for Underwater Archaeology) Zadarā, Horvātijā.

Viena no pirmajām sievietēm zemūdens arheoloģijā, Gelidonijas vraka pētniece, britu zemūdens arheoloģe Džoana du Plata Teilore (Joan du Plat Taylor) 1972. gadā dibināja mūsdienās vecāko pastāvīgi iznākošo zemūdens arheoloģijai veltīto zinātnisko žurnālu International Journal of Nautical Archaeology. Visplašāko zemūdens arheoloģijas tēmu loku aplūko arī kopš 2006. gada iznākošais žurnāls Journal of Maritime Archaeology. Zemūdens arheoloģijas tēmām veltīti raksti tiek publicēti arī kāda konkrēta reģiona specifikai veltītos žurnālos, piemēram, žurnālā The Australasian Journal of Maritime Archaeology, kas ir svarīgākā periodiskā publikācija Indijas okeāna, Dienvidaustrumāzijas un Austrālijas ģeogrāfiskajā telpā. Nozīmīgi ir arī tādu organizāciju kā ICOMOS Starptautiskās zemūdens kultūras mantojuma komitejas (International Committee on the Underwater Cultural Heritage, ICUCH) periodiski izdotie rakstu krājumi.