L'histoire des TSM remonte à l'invention des premiers thermomètres vers le milieu du 17ème siècle. Les océanographes des premières campagnes océanographiques puisaient l'eau de surface à l'aide d'un sceau puis mesuraient la température à bord du navire. Plus tard les mesures s'effectuent directement à partir des navires, avec notamment le thermomètre à renversement, invention due à l'océanographe français Georges Aimé, l'un des fondateurs de l'océanographie physique, au milieu du 19ème siècle. Sur les navires modernes de commerce ou de recherche, les capteurs thermiques se situent généralement dans le conduit d'entrée d'eau de refroidissement et les températures mesurées correspondent à la couche d'eau se situant à quelques mètres sous la surface.

Aujourd'hui, les océanographes utilisent des bathysondes (ou sonde CTD pour Conductivity, Temperature, Depth) qui permettent d'acquérir des mesures de salinité, de température et de pression en continu, le long d'un profil vertical depuis la surface jusqu'à des profondeurs importantes. Outre les navires, on utilise aussi des bouées, fixes ou dérivantes, qui permettent d'enregistrer différents paramètres océanographiques en continu, dont la température de surface, en un point précis de l'océan ou bien dans une région océanique au gré des courants marins. Les données acquises par les bouées sont relevées périodiquement ou transmises directement à une station sol via satellite.
Si les mesures de température effectuées à bord des navires ou recueillies par les bouées ont une excellente précision, elles restent ponctuelles et limitées dans le temps et insuffisantes pour une étude fiable et précise de la climatologie océanique. Les satellites opérant dans l'infrarouge thermique permettent une observation synoptique et répétitive des champs thermiques de surface et viennent ainsi compléter les données in situ.

L'utilisation de la télédétection spatiale pour déterminer et cartographier les températures de surface de la mer a commencé au début des années 70. Les satellites polaires et géostationnaires environnementaux de la NOAA aux Etats-Unis ont permis des avancées spectaculaires dans la compréhension des phénomènes atmosphériques et océaniques.

Le premier radiomètre imageur opérationnel adapté à l'étude des structures thermiques superficielles de la mer a été le VHRR lancé en 1972 à bord d'un satellite TIROS (NOAA-2, figure ci-dessous).
En octobre 1978, la NASA lance le satellite TIROS-N, premier de la série des NOAA 2ème génération (NOAA-6 à NOAA-18), qui embarque à son bord l'AVHRR, version améliorée du VHRR. Lancé à temps pour être utilisé dans le cadre du Global Weather Experiment, expérience menée par plusieurs nations sous la direction de l'OMM  (voir description OMM) pour améliorer les prévisions météorologiques, ce radiomètre fournit des données visibles et thermiques de la surface terrestre de jour comme de nuit. Depuis, différentes versions de cet instrument ont été régulièrement embarquées sur les satellites NOAA. Avec une résolution spatiale de 1 km et 5 canaux spectraux, dont deux centrés sur la fenêtre atmosphérique 11 µm, l'AVHRR est bien adapté à la cartographie des températures de surface de la mer à méso - échelle.

En complément des satellites polaires, la NOAA opère aussi des GOES. Le premier satellite de la série GOES a été lancé en 1974. Il embarquait un VISSR qui fournit des observations de jour et de nuit sur les températures des nuages et des surfaces, la hauteur des nuages et les champs de vent.
Pour compléter la couverture des GOES américains, les pays et organismes qui participent au système mondial d’observation de l’atmosphère mis en place par l’OMM au milieu des années 1970 opèrent également des satellites météorologiques géostationnaires. Cinq satellites se répartissent ainsi sur l'orbite géostationnaire. Ce sont les Météosat de l'Agence Spatiale Européenne qui couvrent l'Europe, l'Afrique et l'Atlantique, le satellite indien INSAT qui observe l'océan Indien et la partie centrale et occidentale de l'Asie, le GMS japonais qui couvre l'Extrême-Orient, le Pacifique ouest et l'Océanie, les GOES Est et Ouest américains qui se positionnent au-dessus des Amériques et du Pacifique. L’association de ces satellites météorologiques permet d’assurer une couverture météorologique complète de la planète.

En France, c'est le Centre de Météorologie Spatiale (CMS) de Lannion qui s'attelle depuis 1979 à fournir des cartes de température de surface à partir des données obtenues par les radiomètres infrarouges embarqués sur les satellites TIROS, NOAA et METEOSAT.

Aujourd'hui des cartes mondiales de TSM sont établies de manière opérationnelle avec une précision de 0,5 à 2°C.
En 2003, une collaboration internationale (The Global Ocean Data Assimilation Experiment -  GODAE) se met en place pour tenter une expérience d'océanographie opérationnelle d'assimilation de données sur l'ensemble des océans de la planète. L'objectif de cette expérience internationale est de montrer qu'il est possible d'observer, de décrire, de modéliser et de prévoir l'évolution de l'état des océans en routine et en temps réel, à l'échelle globale à partir des observations spatiales et in-situ et des modèles. Dans le cadre de cette expérience, un projet pilote a été lancé pour fournir des cartes de températures de qualité sur l'ensemble des océans (The GODAE High Resolution Sea Surface Temperature Pilot Project -  GHRSST-PP ).