A bioluminescência é produzida por componentes do fitoplâncton, principalmente dinoflagelados como a Noctiluca. Esta alga é a responsável pelos pontos de luz azul-esverdeada produzidos na areia das praias e na água, visíveis durante a noite. Muitos invertebrados também produzem luz, principalmente os crustáceos, como os camarões, vermes, equinodermas e lulas. Os peixes são os únicos vertebrados capazes de produzir luz.

   A bioluminescência se dá principalmente em órgãos especiais denominados fotóforos, os quais estão presentes em locais específicos do corpo e em quantidades variáveis, dependendo da espécie em questão. Estes órgãos luminosos são formados por um tecido fotogênico, no qual a reação bioquímica se processa, ligado a terminações nervosas que transmitem o comando para a produção de luz.

   Em outros casos de bioluminescência, não são os fotóforos que produzem luz, mas bactérias luminescentes aprisionadas em pontos específicos do corpo de algumas espécies de peixes. Como neste caso não há o controle nervoso deste processo, comumente existem membranas que podem cobrir e descobrir o sítio luminoso de acordo com a necessidade do peixe.

   A função ecológica da bioluminescência é ainda pouco compreendida, mas já se sabe que em muitos casos está associada a:

- iluminação do campo de visão
- atração de presas através de iscas luminosas
- reconhecimento de diferentes espécies
- reconhecimento de parceiros sexuais
- adaptações contra predação

   A bioluminescência é um processo característico em peixes das regiões profundas dos oceanos, onde há a rarefação ou mesmo a ausência total de luz natural.