Sognesjøen er 200-1.300 meter dyp, dypest i vest og nord. Den har fjordvann i øvre lag, kystvann i midtre lag, og atlantisk havvann i de dypere vannlagene under 150 meters dybde. Nord på øya Hille i Gulen ligger Sognesjøen havforskningsstasjon, en av åtte faste stasjoner under Havforskningsinstituttet. Her måles temperatur og salinitet i ulike dybdelag annenhver uke. Overflatetemperaturen er typisk ca. 5°C om vinteren og 18°C om sommeren. Saltholdigheten er høyest om vinteren på grunn av lite nedbør og ferskvannsavrenning, og veksler i overflaten mellom 28 og 32. I atlantiske lag under 150 meter er temperaturen konstant 7°C og saliniteten er 35.