La température de surface de la mer est un paramètre essentiel dans les échanges d'énergie à l'interface mer / atmosphère. C'est un paramètre d'entrée nécessaire aux modèles météorologiques et climatologiques et l'amélioration de ces modèles pour mieux prévoir la circulation atmosphérique et océanique implique obligatoirement une cartographie très précise des TSM à la surface du globe.
Des moyennes mensuelles de la température de surface de la mer, basées sur plusieurs années de mesures, servent de référence et sont utilisées dans les algorithmes de traitement des images satellitaires pour notamment améliorer la détection des nuages sur l'océan.

Généralement, les températures de surface de la mer mesurées à partir des satellites fonctionnant dans l'infrarouge thermique sont complétées par des mesures satellites radar, ainsi que par des enregistrements in situ - que ce soient des mesures effectuées à bord des navires océanographiques, des navires marchands ou les enregistrements des bouées - pour être ensuite utilisées dans des modèles informatiques numériques.