El equipo SONAR se utiliza en la mayoría de los barcos para medir la profundidad del agua. Esto se consigue enviando un pulso acústico y midiendo el tiempo del eco, o retorno del fondo. Al conocer la velocidad del sonido en el agua, la profundidad se calcula multiplicando la velocidad por la mitad del tiempo recorrido (para un viaje de ida). El SONAR también se utiliza para detectar grandes objetos submarinos y para buscar grandes concentraciones de peces. Los sistemas SONAR más sofisticados para la detección y el seguimiento se encuentran a bordo de buques de guerra y submarinos. En la naturaleza, los murciélagos son bien conocidos por hacer uso de la ecolocalización, al igual que las marsopas y algunas especies de ballenas. El SONAR no debe confundirse con los ultrasonidos, que son simplemente sonidos a frecuencias superiores al umbral de la audición humana -más de 15.000-20.000 ciclos por segundo, o hercios (Hz). Los ultrasonidos se utilizan a muy pequeña escala, a alta potencia, para romper materiales y con fines de limpieza. Los ultrasonidos de menor potencia se utilizan con fines terapéuticos, para el tratamiento de lesiones musculares y de tejidos.
El SONAR es muy direccional, por lo que las señales se envían en haces estrechos en varias direcciones para buscar en el agua. El SONAR suele funcionar a frecuencias en el rango de 10.000-50.000 Hz. Aunque las frecuencias más altas proporcionan datos de localización más precisos, las pérdidas de propagación también aumentan con la frecuencia. Por lo tanto, se utilizan frecuencias más bajas para la detección a mayor distancia (hasta 10 millas) a costa de la precisión de la localización.
Las ondas acústicas se detectan utilizando hidrófonos que son esencialmente micrófonos submarinos. Los hidrófonos suelen desplegarse en grandes grupos, llamados conjuntos, formando una red SONAR. Los arrays SONAR también proporcionan una valiosa información direccional sobre las fuentes en movimiento. La electrónica y el procesamiento de la señal desempeñan un papel importante en el rendimiento de los hidrófonos y del sistema SONAR en general.
La propagación del sonido en el agua es bastante compleja y depende en gran medida de la temperatura, la presión y la profundidad del agua. La salinidad, la cantidad de sal en el agua, también cambia la velocidad de propagación del sonido. En general, la temperatura del océano es más cálida en la superficie y disminuye con la profundidad. La presión del agua, sin embargo, aumenta con la profundidad, debido a la masa de agua. La temperatura y la presión, por lo tanto, cambian lo que se llama el índice de refracción del agua. Al igual que la luz se refracta, o se dobla en un prisma, las ondas acústicas se refractan continuamente hacia arriba o hacia abajo y se reflejan en la superficie o en el fondo. Un haz SONAR que se propaga por el agua de este modo se asemeja a un coche que viaja por colinas y valles regularmente espaciados. Como es posible que un objeto se oculte entre estas colinas, es necesario conocer las condiciones del agua para evaluar adecuadamente el rendimiento del SONAR.
En las operaciones de localización y seguimiento, existen dos tipos de modos de SONAR, el activo y el pasivo. La ecolocalización es una técnica activa en la que se envía un pulso y se detecta después de que rebote en un objeto. El SONAR pasivo es un SONAR más sensible, sólo de escucha, que no envía pulsos. La mayoría de los objetos en movimiento bajo el agua hacen algún tipo de ruido. Esto significa que se pueden detectar simplemente escuchando el ruido. Algunos ejemplos de ruido submarino son la vida marina, la cavitación (pequeñas bolsas de aire que se colapsan causadas por las hélices), el chasquido del casco de los submarinos al cambiar de profundidad y la vibración de los motores. Algunos SONAR pasivos militares son tan sensibles que pueden detectar a personas hablando dentro de otro submarino. Otra ventaja del SONAR pasivo es que también puede utilizarse para detectar una firma acústica. Cada tipo de submarino emite determinadas frecuencias acústicas y el patrón acústico compuesto de cada buque es diferente, como una huella dactilar o una firma. El SONAR pasivo es una herramienta predominantemente militar utilizada para la caza de submarinos. Un elemento importante de la caza es no divulgar la propia posición. Sin embargo, si el SONAR pasivo no oye nada, uno se ve obligado a pasar al modo activo, pero al hacerlo se arriesga a alertar al otro de su presencia. El uso del SONAR en este caso se ha convertido en un sofisticado ejercicio táctico.
Otras aplicaciones no militares del SONAR, aparte de la búsqueda de peces, incluyen la búsqueda de naufragios, el sondeo de puertos donde la visibilidad es escasa, los estudios de oceanografía, la búsqueda de fallas geológicas submarinas y la cartografía del fondo del océano.