采得的海水样品在分析之前一般要放置一段时间，这就是水样的贮存。从海中取出的水样大都在船上立即通过0.45μm滤膜过滤，以滤去大于滤膜孔径的悬浮体及生物体。可把水样贮存于聚乙烯桶中，亦可在厚壁聚乙烯瓶中于-20℃下速冻贮存。
不可能提出贮存海水样品的通用操作，必须对每一类元素的样品单独加以研究。
1. 主要组分： 因为大部分主要组分都不大参加生物循环，因此水样中微生物对校正值的影响可忽略不计。通常习惯于将这类样品贮存在硼硅玻璃瓶中。封紧不要漏气(磨口玻璃塞不行)。可以使用带聚四氟乙烯垫或聚乙烯垫的螺旋盖，或带硅橡胶衬垫的牢固的夹钳盖。不要使用软质玻璃瓶，因为像碱金属这样的离子会明显溶解并改变浓度。若需要贮存大量海水，可以使用低压聚乙烯容器(例如为了制备参比溶液)，但是不能用高压聚乙烯瓶，因为它们更易渗透水蒸汽。
2. 营养元素： 由于营养元素和其他生物活性组分可能参加非常迅速的生物代谢过程，在采样和分样之后尤其如此，因此最好是在收集样品后几小时内就进行分析。如果由于某种原因需将分析推迟几小时或几天。那么可按下述方法考虑贮存样品。
海水样品中的正磷酸盐含量很容易发生变化，主要是因为浮游生物，细菌再矿化时放出磷酸盐，它们也摄取磷酸盐，此外颗粒矿物也吸附和解吸磷酸盐，所以要贮存较长时间，最好将样品过滤。
样品装在硬质玻璃瓶中应避光贮存在冰箱中。不应将样品贮存在聚乙烯或聚氯乙烯的容器中。样品过滤后可冷冻贮存10天，此间磷酸盐含量没有很大变化。氨的分析样品应该采集并贮存在仅用作氨分析的密封玻璃瓶中。亚硝酸盐是氨被氧化或硝酸盐被还原时出现的一种中间化合物。因此，贮存亚硝酸盐分析样品是不可取的，而且化学保护法(例如加氯仿)好像也不令人满意。只要可能，就应在一小时以内将亚硝酸盐试剂加到样品中。
如果不可免的要贮存一些时日，那么快速冷冻好像是仅有的可行办法。但是可以预期最初的亚硝酸盐含量必定会有改变，尤其是在样品解冻过程中，样品只能贮存在密封的玻璃瓶中。
硝酸盐是氮化合物的最终氧化产物。因此，海水样品中原来硝酸盐含量发生变化，只能是由于氨和亚硝酸盐的氧化以及硝酸盐吸附到样品容器材料上的结果。硝酸盐在颗粒物上的吸附似乎是无足轻重的，因为分析操作将把被吸附的硝酸盐全都释放出来。根据一些人的见解，分样之后，应立即加入和分析硝酸盐的样品一样多的氯化铵缓冲液，并将此溶液贮存于暗处。此时硝酸盐含量可稳定约五个月，因为缓冲溶液的存在防止了细菌的活动，并防止氨与亚硝酸盐氧化成硝酸盐。
根据一些人的意见，用氯化汞(Ⅱ)保存样品同时深度冷冻，可使样品长期 贮存。
分析活性硅酸盐时，海水样品的贮存和分析不应使用玻璃瓶。样品在冰箱中暗处贮存几天不会引起硅酸盐含量的明显变化。
贮存和保护的最好方法似乎是用硫酸将海水样品酸化到pH2.5，在约4℃时暗处存放在密封的硬聚乙烯瓶中。
3. 痕量金属： 通常由于条件的限制在船上不能进行痕量金属的海水样品分析。
按1974年波罗的海实验室专家会议的建议应该使用石英或聚乙烯瓶贮存样品，这些瓶子应用纯硝酸洗净，然后用1 %的吡咯烷二硫代氨基甲酸铵溶液处理，接着用甲基异丁基甲酮处理，最后用蒸馏水洗涤。采样之前，必须仔细地用海水漂洗样品瓶。样品必须深度冷冻贮存直至分析。采样之后应该尽可能迅速地进行冷冻。
如果样品量太大，致使在采样后两小时内不能完成深度冷冻，或者不可能做深度冷冻，那么建议用超纯硝酸或盐酸酸化，调正样品的pH到1.5以下。