在海洋中，每下潜100米就增加10个大气压，这就要求机器人上的每一个部件都必须能承受住这么大的压力而不变形、不损坏。6000米海底的压力高达600个大气压，在这么高的压力下，几毫米厚的钢板容器会像鸡蛋壳一样被压碎。而对于浮力材料，不仅要求它能承受住这么大的压力，而且要求它的渗水率极低，以保证其密度不变，否则机器人就会沉入海底。
在高压环境下，耐高水压的动态密封结构和技术也是水下机器人的一项关键技术。机器人上的任何一个密封的电气设备、连接线缆和插件都不能有丝毫渗漏，否则会导致整个部件甚至整个电控系统的毁灭。
另外，由于无线电波在水中的衰减太快，所以在水中不能使用无线电通信、无线电导航及无线电定位，目前在水中的唯一通信手段是水声技术。但是在水中的声速还不及光速的二十万分之一，在水中声信号的传输率极低，加上声波在水中的散射、传输的损耗以及回波的干扰等，使水声设备的研制更加困难。当前水声通信的距离仅有10公里。如何利用新的信息处理技术研制出精度更高、误码率更低、作用距离更大的水声设备，是水下机器人研究的又一关键技术。随着通信距离的增大，水下机器人应用的范围也将扩大。
红外照相、遥感及远距离摄影等技术在陆地和空间已成功地应用了，但由于光波在水中的散射、损耗和吸收，它的传播距离大大缩短。目前最好的微光摄像机在最佳的水质中的视距也不过十几米。怎样把水下机器人的“近视眼”变成“千里眼”，还有待技术的进一步发展。水的密度和粘滞度比空气高得多，海面的风浪翻涌变幻莫测，海底又是千山万壑、暗流纵横的黑暗世界，机器人在这样复杂的环境中工作真是危机四伏。这使得机器人的航行控制、自我保护、环境识别和建模比航天器更困难。水下机器人的回收至今仍是一个没有完全解决的问题，尤其是在深海区的回收更加艰难。
同时，水下机器人能耗很大。特别是自治水下机器人（AUV），它既不能采用太阳能电池，也没有脐带缆不断地供电，只能靠自带的蓄电池，从而限制了它在水下的工作时间。因此开发应用比能率高的新的能源，也将是AUV向远程、大范围作业发展的关键。
