SONAR-utrustning används på de flesta fartyg för att mäta vattendjupet. Detta görs genom att sända en akustisk puls och mäta tiden för ekot, eller returen från botten. Genom att känna till ljudets hastighet i vattnet beräknas djupet genom att multiplicera hastigheten med halva restiden (för en enkel resa). SONAR används också för att upptäcka stora undervattensobjekt och för att söka efter stora fiskkoncentrationer. Mer sofistikerade SONAR-system för upptäckt och spårning finns ombord på örlogsfartyg och ubåtar. I naturen är fladdermöss välkända för att använda ekolokalisering, liksom tumlare och vissa arter av valar. SONAR ska inte förväxlas med ultraljud, som helt enkelt är ljud med frekvenser som är högre än den mänskliga hörselns tröskel – mer än 15 000-20 000 cykler per sekund, eller hertz (Hz). Ultraljud används i mycket liten skala, med hög effekt, för att bryta upp material och för rengöring. Ultraljud med lägre effekt används terapeutiskt, för behandling av muskel- och vävnadsskador.
SONAR är mycket riktat, så signalerna skickas i smala strålar i olika riktningar för att söka i vattnet. SONAR arbetar vanligtvis vid frekvenser i intervallet 10 000-50 000 Hz. Även om högre frekvenser ger mer exakta lokaliseringsuppgifter, ökar också spridningsförlusterna med frekvensen. Lägre frekvenser används därför för längre avstånd (upp till 10 mi ) på bekostnad av lokaliseringsnoggrannheten.
Akustiska vågor detekteras med hjälp av hydrofoner som i huvudsak är undervattensmikrofoner. Hydrofoner placeras ofta ut i stora grupper, så kallade arrays, som bildar ett SONAR-nät. SONAR-arrayer ger också värdefull riktningsinformation om rörliga källor. Elektronik och signalbehandling spelar en stor roll för hydrofonernas och de allmänna SONAR-systemens prestanda.
Ljudets utbredning i vatten är ganska komplex och beror mycket på vattnets temperatur, tryck och djup. Salinitet, mängden salt i vattnet, förändrar också ljudets utbredningshastighet. I allmänhet är temperaturen i havet varmast vid ytan och minskar med djupet. Vattentrycket däremot ökar med djupet på grund av vattenmassan. Temperatur och tryck förändrar därför det som kallas vattnets brytningsindex. Precis som ljus bryts eller böjs av ett prisma bryts akustiska vågor kontinuerligt uppåt eller nedåt och reflekteras av ytan eller botten. En SONAR-stråle som utbreder sig längs vattnet på detta sätt liknar en bil som färdas längs regelbundet fördelade kullar och dalar. Eftersom det är möjligt att ett objekt kan vara gömt mellan dessa kullar måste vattenförhållandena vara kända för att SONAR-prestanda ska kunna bedömas korrekt.
I lokaliserings- och spårningsoperationer finns två typer av SONAR-lägen, aktiva och passiva. Echolokalisering är en aktiv teknik där en puls sänds och sedan detekteras efter att den studsar mot ett objekt. Passiv SONAR är en mer känslig, enbart lyssnande SONAR som inte sänder några pulser. De flesta rörliga föremål under vatten ger ifrån sig någon form av ljud. Detta innebär att de kan upptäckas bara genom att lyssna efter ljudet. Exempel på undervattensbrus är marint liv, kavitation (små kollapsande luftfickor som orsakas av propellrar), skrovpuffar från ubåtar som ändrar djup och motorvibrationer. Vissa militära passiva SONARs är så känsliga att de kan upptäcka människor som pratar i en annan ubåt. En annan fördel med passiv SONAR är att den också kan användas för att upptäcka en akustisk signatur. Varje typ av ubåt avger vissa akustiska frekvenser och varje fartygs sammansatta akustiska mönster är annorlunda, precis som ett fingeravtryck eller en signatur. Passiv SONAR är främst ett militärt verktyg som används för ubåtsjakt. En viktig del av jakten är att inte avslöja sin egen position. Om det passiva SONAR-systemet inte hör något är man dock tvungen att gå över till aktivt läge, men då riskerar man att varna den andra om sin närvaro. Användningen av SONAR i detta fall har blivit en sofistikerad taktisk övning.
Andra, icke-militära, tillämpningar av SONAR, bortsett från fiskesökning, inkluderar sökning efter skeppsvrak, sondering av hamnar där sikten är dålig, oceanografiska studier, sökning efter undervattensgeologiska fel och kartläggning av havsbotten.