Природные сообщества водных организмов, составляющие население водной среды, стали систематически исследоваться только со 2-й половине 19 в., что и привело в дальнейшем к обособлению Г. от ботаники и зоологии, издавна занятых изучением как наземных, так и водных организмов. Для формирования Г. как науки, имеющей свой объект изучения, свои методы и задачи, большое значение имели первые количественные исследования специфичной для водной среды жизненной формы — планктона (главным образом мелкие организмы, обитающие в толще воды), начатые в 80-е гг. 19 в. немецким учёным В. Ганзеном. На примере Кильской бухты он показал необходимость количественных сведений о планктоне как источнике пищи для промысловых рыб и основы биологической продуктивности моря. Позднее, но также главным образом в интересах развития рыбного хозяйства, было начато количественное изучение организмов, обитающих на дне водоёмов, — бентоса. Количественные исследования бентоса получили общее распространение после того, как были применены приборы для взятия проб — дночерпатели, впервые предложенные в 1911 для морских исследований датским учёным К. Петерсеном и для пресноводных — шведским учёным С. Экманом.
Количественные методы исследования природных сообществ водных организмов, служащие для определения численности (плотности) особей отдельных видов и их биомассы, получили в Г. самое широкое распространение. Для этой цели применяют многие специальные гидробиологические приборы (планктонные сети, планктоноуловители, планктоночерпатели, дночерпатели различных конструкций и др.).
Помимо планктона и бентоса, были выделены также такие характерные для водной среды жизненные формы, как нектон, к которому относят достаточно крупных активно плавающих животных, способных преодолевать течения (рыбы, кальмары и др.). Сообщества животных и растительных организмов, характерных для поверхности вод, граничащих с атмосферой, называют нейстоном. Полуводные погружённые организмы образуют плейстон, бегающие или лежащие на поверхностной плёнке — эпинейстон, живущие под плёнкой, но тесно с ней связанные — гипонейстон.
Сообщества организмов, живущих на поверхности погруженных предметов, называют перифитоном, или обрастанием.
Первый преимущественно флористический, фаунистический и биогеографический этап исследований по Г. связан с необходимостью изучения видового состава и распределения населения морей и внутренних вод. Эта задача, в особенности по отношению к менее изученным районам и систематическим группам организмов, до сих пор не потеряла своего значения. Выполнена огромная работа по изучению состава населения пресных вод и морей. Материалы собирались главным образом во время экспедиций. Выдающееся значение имела английская морская экспедиция на судне «Челенджер» (декабрь 1872 — май 1876), положившая начало изучению жизни на больших глубинах. Начиная с последней четверти 19 в., во многих странах учреждались морские и пресноводные биологические станции, что создало новые возможности для углублённых круглогодичных гидробиологических исследований.
Сов. Г. широко использует как экспедиционные работы, так и углублённые стационарные исследования. Для развития пресноводной Г. большое значение имели работы В. М. Арнольди, А. Л. Бенинга, Г. Ю. Верещагина, В. Н. Воронкова, В. И. Жадина, С. Г. Лепневой, В. М. Рылова, Д. О. Свиренко и многие др. и исследования, проведённые в 20-х и 30-х годах на Косинской и Глубокоозёрской биостанциях под Москвой (Л. Л. Россолимо, С. И. Кузнецов, Г. Г. Винберг, Е. В. Боруцкий, Г. С. Карзинкин и др.), байкальской биостанции Иркутского университета (М. М. Кожов). Ещё в 1-е десятилетие 20 в. в морских научно-промысловых экспедициях Н. М. Книповича, в работах С. А. Зернова и К. М. Дерюгина были заложены основы русских морских гидробиологических исследований. В советское время они получили самое широкое развитие начиная с работ по изучению Баренцева м., проведённых под руководством И. И. Месяцева и Л. А. Зенкевича в 20-е гг. Плавучим морским научным институтом, созданным в 1921 по декрету, подписанному В. И. Лениным. Большие достижения советских морских гидробиологических исследований (с участием В. Г. Богорова, В. А. Водяницкого, Е. Ф. Гурьяновой, П. И. Усачёва, А. А. Шорыгина, В. А. Яшнова и мн. др.), обобщённые в книге Л. А. Зенкевича (1963), пользуются мировым признанием. Особенно значительны результаты проведённых на «Витязе» (начиная с 1949) исследований Тихого и Индийского океана, на «Оби» — в антарктических водах, на «М. Ломоносове» — в Атлантическом океане и на др. исследовательских судах. В итоге было получено представление о биологической структуре и продуктивности, собраны обширные материалы по систематике и распределению фауны и флоры Мирового океана.
По мере накопления сведений о составе населения разных водоёмов внимание направлялось на выяснение экологических условий формирования определённых биоценозов и обитания отдельных видов водных организмов. Этот этап развития Г. отражён в книге С. А. Зернова «Общая гидробиология» (1934,2 изд., 1949), сыгравшей большую роль в развитии советской Г.
В Г. много внимания уделяется развитию представлений о значении биологических явлений для классификации природных вод, теории биологической продуктивности, закономерностям биотического круговорота веществ и потока энергии в водных сообществах.
На очереди гидробиологических исследований стоит выяснение функционального значения водных организмов в протекающих в водной среде процессах, что необходимо для управления биологической продуктивностью и процессами самоочищения и для рационального использования биологических ресурсов. Функциональные особенности водных организмов могут быть выяснены только с помощью экспериментальных исследований обмена веществ, роста, питания, химического и биохимического состава водных организмов. Для развития этого направления исследований в сов.етскойГ. большое значение имели работы Н. С. Гаевской, В. С. Ивлева, С. Н. Скадовского.
Решение ряда гидробиологических вопросов нередко требует исследований на самых разных уровнях — от молекулярного, клеточного и организменного до популяционного и биоценотического. Например, при выяснении причин чрезмерного развития фитопланктона, т. н. цветения воды, необходимо, с одной стороны, принимать во внимание взаимодействие разных видов водорослей и микробов через выделяемые в воду специфические метаболиты, с другой — круговорот биогенных элементов (азот, фосфор и др.), зависящий от свойств водоёма в целом и от стока с его водосборной площади.
Закономерная взаимозависимость всех явлений в водоёме, являющемся целостным природным объектом, была подчёркнута в конце 19 в. и начале 20 в. в классических работах швейцарского лимнолога Ф. Фореля. В 20-х гг. 20 века А. Тинеман (Германия) и Э. Науман (Швеция) показали возможность подразделения озёр, как и др. водоёмов, на биолимнологические типы (олиготрофный, эвтотрофный и др.). Проблема типологии и классификации природных вод продолжает разрабатываться.
Большая сложность и разнородность природных явлений, с которыми имеет дело Г., привели к использованию многих методов исследования; например, радиоуглеродный метод измерения интенсивности фотосинтеза планктона, предложенный датским учёным Е. Стеман-Нильсоном, с помощью которого уже получены данные, позволяющие судить о первичной продукции океана и гидросферы в целом; спектрофотометрические методы определения содержания хлорофилла в планктоне; методы изучения роли водных бактерий (главным образом советские учёные Э. Л. Исаченко, В. С. Буткевич, А. С. Разумов, С. И. Кузнецов, Ю. И. Сорокин и др.). При морских и некоторых пресноводных исследованиях взятие проб и наблюдения ведутся с помощью аквалангистов, на больших глубинах применяется подводное телевидение и фотографирование, с помощью эхолотов (см. Биогидроакустика) прослеживается распределение планктона и др. водных организмов; новейшие физические методы используются для изучения биолюминесценции в глубинах моря, для понимания взаимосвязи процессов, идущих в водных экосистемах, привлекается метод математического моделирования, применяются ЭВМ.
