SONAR-Geräte werden auf den meisten Schiffen zur Messung der Wassertiefe eingesetzt. Dazu wird ein Schallimpuls ausgesendet und die Zeit für das Echo, also die Rückkehr vom Grund, gemessen. Wenn man die Schallgeschwindigkeit im Wasser kennt, kann man die Tiefe berechnen, indem man die Geschwindigkeit mit der Hälfte der zurückgelegten Zeit multipliziert (bei einer Einwegfahrt). SONAR wird auch zur Erkennung großer Unterwasserobjekte und zur Suche nach großen Fischansammlungen eingesetzt. Hochentwickelte SONAR-Systeme zur Erkennung und Verfolgung von Objekten befinden sich an Bord von Marineschiffen und U-Booten. In der Natur sind Fledermäuse dafür bekannt, dass sie die Echoortung nutzen, ebenso wie Schweinswale und einige Walarten. SONAR ist nicht zu verwechseln mit Ultraschall, einem Schall mit Frequenzen, die über der menschlichen Hörschwelle liegen, d. h. mit mehr als 15 000 bis 20 000 Schwingungen pro Sekunde oder Hertz (Hz). Ultraschall wird in sehr kleinem Maßstab und mit hoher Leistung zur Zerkleinerung von Material und zu Reinigungszwecken eingesetzt. Ultraschall mit geringerer Leistung wird therapeutisch eingesetzt, um Muskel- und Gewebeverletzungen zu behandeln.
SONAR ist sehr richtungsabhängig, so dass die Signale in engen Strahlen in verschiedene Richtungen gesendet werden, um das Wasser abzusuchen. SONAR arbeitet in der Regel mit Frequenzen im Bereich von 10.000-50.000 Hz. Höhere Frequenzen liefern zwar genauere Ortungsdaten, aber auch die Ausbreitungsverluste nehmen mit der Frequenz zu. Daher werden niedrigere Frequenzen für die Ortung über größere Entfernungen (bis zu 10 Meilen) verwendet, allerdings auf Kosten der Ortungsgenauigkeit.
Akustische Wellen werden mit Hydrophonen, die im Wesentlichen Unterwassermikrophone sind, erfasst. Die Hydrofone werden oft in großen Gruppen, sogenannten Arrays, eingesetzt, die ein SONAR-Netz bilden. SONAR-Arrays liefern auch wertvolle Richtungsinformationen über sich bewegende Quellen. Elektronik und Signalverarbeitung spielen eine große Rolle bei der Leistung von Hydrophonen und allgemeinen SONAR-Systemen.
Die Ausbreitung von Schall im Wasser ist recht komplex und hängt stark von der Temperatur, dem Druck und der Tiefe des Wassers ab. Auch der Salzgehalt, also die Menge des Salzes im Wasser, verändert die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls. Im Allgemeinen ist die Temperatur des Ozeans an der Oberfläche am wärmsten und nimmt mit der Tiefe ab. Der Wasserdruck hingegen nimmt mit der Tiefe zu, was auf die Wassermasse zurückzuführen ist. Temperatur und Druck verändern also den so genannten Brechungsindex des Wassers. So wie Licht durch ein Prisma gebrochen oder gebogen wird, werden akustische Wellen kontinuierlich nach oben oder unten gebrochen und von der Oberfläche oder dem Boden reflektiert. Ein SONAR-Strahl, der sich auf diese Weise über das Wasser ausbreitet, ähnelt einem Auto, das in regelmäßigen Abständen über Hügel und Täler fährt. Da es möglich ist, dass sich ein Objekt zwischen diesen Hügeln verbirgt, müssen die Wasserbedingungen bekannt sein, um die SONAR-Leistung richtig beurteilen zu können.
Bei Ortungs- und Verfolgungsoperationen gibt es zwei Arten von SONAR-Verfahren: aktive und passive. Die Echolokation ist eine aktive Technik, bei der ein Impuls gesendet und dann nach dem Abprallen von einem Objekt erkannt wird. Passives SONAR ist ein empfindlicheres SONAR, das nur hört und keine Impulse sendet. Die meisten sich bewegenden Objekte unter Wasser erzeugen eine Art von Geräusch. Dies bedeutet, dass sie nur durch das Hören auf das Geräusch erkannt werden können. Beispiele für Unterwassergeräusche sind Meereslebewesen, Kavitation (kleine kollabierende Lufteinschlüsse, die von Propellern verursacht werden), das Knacken des Rumpfes von U-Booten, die ihre Tiefe verändern, und Motorvibrationen. Einige passive SONAR-Geräte des Militärs sind so empfindlich, dass sie Menschen erkennen können, die sich in einem anderen U-Boot unterhalten. Ein weiterer Vorteil des passiven SONAR ist, dass es auch zur Erkennung einer akustischen Signatur eingesetzt werden kann. Jeder U-Boot-Typ sendet bestimmte akustische Frequenzen aus, und das zusammengesetzte akustische Muster jedes Schiffes ist anders, genau wie ein Fingerabdruck oder eine Signatur. Passives SONAR ist in erster Linie ein militärisches Instrument, das zur U-Boot-Jagd eingesetzt wird. Ein wichtiges Element der Jagd ist es, die eigene Position nicht preiszugeben. Wenn das passive SONAR jedoch nichts hört, ist man gezwungen, in den aktiven Modus zu wechseln, riskiert dabei aber, den anderen auf seine Anwesenheit aufmerksam zu machen. Der Einsatz von SONAR ist in diesem Fall zu einer anspruchsvollen taktischen Übung geworden.
Andere, nicht-militärische Anwendungen von SONAR, abgesehen von der Fischsuche, umfassen die Suche nach Schiffswracks, die Erkundung von Häfen mit schlechter Sicht, ozeanographische Studien, die Suche nach geologischen Verwerfungen unter Wasser und die Kartierung des Meeresbodens.