Первые представления о природе Индийского океана складывались у древних народов, населявших его берега и за его пределами (в Южной Европе, Северной Африке, Юго-Западной и Восточной Азии). В торговых и военных целях они совершали плавания по различным частям океана.
В V—IV тысячелетиях до н. э. шумеры плавали по Персидскому заливу и выходили в Аравийское море. Мореходы-финикийцы за шесть веков до н. а, отплыв из Эритрейского (Красного) моря, обогнули Африку и через 3 года вернулись домой, пройдя Геракловы Столбы (Гибралтарский пролив). Средиземноморские народы активно использовали для своих морских походов в Индийском океане муссонные ветры. Греки и римляне уже в I в. н. э. проложили морской путь через Бенгальский залив и установили связь с Китаем. Очевидно, акваторию океана осваивали моряки Индии, Индонезии и др. Арабы в VII—VIII вв. много плавали по Индийскому океану. Они обобщили полученные сведения а «го природе в рукописных книгах. В 1466—1472 гг. тверской купец Афанасий Никитин совершил путешествие в Индию и достиг Индийского океана (пересек Аравийское море). В его путевых записках «Хождение за три моря» дано яркое и правдивое описание не только его жизни в этой стране, но и торговых путей туда из Восточной Европы. В XV—XVI вв. начинается период интенсивного освоения океана европейцами. В 1497—1498 гг. португалец Васко-да-Гама открыл морской путь в Индию вдоль западного побережья Африки. Вслед за португальцами в Индийский океан устремляются голландские, французские, испанские, английские мореплаватели, охватывая разные его части.
Первые океанографические исследования наряду с географическими описаниями и уточнением береговой линии Индийского океана начинают проводить морские экспедиции с конца XVIII в.
Так, во время плавания Д. Кука (1772-1775 гг.) измерялась температура воды до глубины 200 м. Океанографические работы в Индийском океане проводились также первой русской кругосветной экспедицией И. Ф. Крузенштерна и Ю. Ф. Лисянского (1803-1806 гг.), во время экспедиций под руководством О. Е. Коцебу (1815-1818 гг. и 1823-1826 гг.). Большим вкладом в развитие науки, в том числе и географии океана, явились работы Ч. Дарвина.
В XIX — начале XX в. развернулось более широкое изучение океана. Развитию глубоководных исследований способствовали работы по прокладке подводных телеграфных кабелей в Аравийском море и Бенгальском заливе (1857-1869 гг.). Во время кругосветной экспедиции на «Челленджере» (1873-1876 гг.) проводились комплексные океанологические исследования, включавшие гидрологические, геологические и биологические наблюдения. В 1898-1899 гг. Германия организовала специальную глубоководную экспедицию в Индийском океане. Ей принадлежит заслуга начала выявления Восточно-Индийского и Аравийско-Индийского хребтов. В 1906 г. промеры другого немецкого судна привели к открытию Яванского (Зондского) глубоководного желоба.
С середины XX в. работы в Индийском океане приняли целенаправленный характер. Существенные результаты принесли океанографические исследования, выполненные морскими отрядами дизель-электроходов «Обь» и «Лена» по программе Международного геофизического года (1955-1957 гг.). Значителен вклад в изучение Индийского океана научно-исследовательского судна «Витязь» (1959-1962 гг., 1965 г.).
Крупным событием явилось открытие Западно-Индийского хребта и его изучение океанологами США (1959-1960 гг.). Благодаря выявлению «недостающей» юго-западной ветви Срединно-Индийского хребта было установлено существование единой глобальной системы срединных хребтов Мирового океана. В период 1960-1965 гг. проводилась Международная индоокеанская экспедиция (МИОЭ). Она была самой крупной из всех экспедиций, когда-либо работавших в Индийском океане. Программа МИОЭ охватывала наблюдениями почти все его пространство. В ней приняли участие ученые около 20 стран, и объем информации оказался весьма значительным. До этого по всему Индийскому океану было сделано около 1500 океанологических станций, а в период работ МИОЭ только экспедиции СССР за 5 лет выполнили наблюдения более чем на 2000 станциях. После завершения исследований по программе МИОЭ большое значение для выяснения строения и формирования котловин Индийского океана имели работы по глубоководному бурению с американского судна «Гломар Челленджер». Как и в других океанах, в Индийском ведутся наблюдения с автономных подводных аппаратов-батискафов, которые считаются весьма перспективными для детального изучения глубин океана.