远在SURTASS传感器存在之前，海军已经开发出了一个固定的潜艇探测和追踪系统——一个大型而固定的海底听音器全球网络，被动收听潜艇发出的声音。在20世纪50年代以及此后数十年中，其主要目标都是苏联的潜艇（能够发射各种射程弹道导弹和那些能够攻击在反潜战中部署的美国潜艇），这些潜艇显示出对美国战略核武库中大量水下组成的威胁。

水下阵列虽然总体被称为“声音监视系统”（Sound Surveillance System, SOSUS），但是只有其中的三分之二完全属于SOSUS网络。另三分之一是或曾是同类系统的一部分。1979年，一位美国海军上将SOSUS形容为“我们反潜战（ASW）探测能力的支柱”。SOSUS和SURTASS一起，是综合海面下监视系统（Integrated Undersea Surveillance System, IUSS）的组成部分。斯德哥尔摩国际和平研究院（SIPRI）对该系统的描述如下：

每套SOSUS装置都包括一个由数百水中听音器组成的阵列，这些水中听音器或被放置在海底，或固定在传播传导性最好的海洋深处，与海底电缆连接在一起以便进行遥测信息的传输。远处潜艇发出的声波到达阵列后，会依据其到达的方向按不同水中听音器之间的几何关系依次被探测到。通过记录波被不同水中听音器检测到的顺序，即可以判断出波的方向。实际上，当在各水中听音器之间引入适当的时间延迟之后，增加几个单个水中听音器的信号即可将阵列的灵敏度提高好些倍。其结果就是，通过改变时间延迟的模式，监听“信号束”会被“定位”到不同的海洋扇区。通过测量声音射束在阵列内的分散情况，或者从相邻的阵列对其进行三角测量，即可计算出阵列到声源的距离。

两个现象使得有效部署如SOSUS这样的系统成为可能：第一，在海洋中传播时，信号强度的衰退比在土地中传播时要少得多，因为声音能量在海水中的吸收率很低；第二，海洋中有一个低速声音层，即声波定位和测距通道（Sound Fixing and Ranging），它可以起“波导”的作用。声音能量在这个通道内水平移动，而不会向下传至海底，否则它与海底的相互作用就会使声音能量产生很大的衰减。而且，这种波导效应限制了声波的“几何扩散”。如此，扩散的影响只是随着声源距离的增加而增加，而不会是按声源距离的平方增加（如地震体波一样）。

SOSUS的开发工作开始于20世纪50年代初，到了1953年中时，海军决定在美国东海岸的大陆架安置一个阵列。1962年10月的古巴导弹危机期间，这个阵列被证明在对苏联潜艇的定位工作上极为有效。因此，美国决定扩大和升级这个网络。一个覆盖格陵兰-冰岛-英国之间海洋间隙（GIUK Gap）的阵列被建立起来，其属于大西洋，是驻扎在苏联东北部波利亚尔内潜艇基地的苏联潜艇前往美国的必经之地。而在同一个区域内联连安多亚岛、挪威和熊岛的阵列则提供了甚至更早的预警。

到了20世纪50年代中期，海军还决定在西海岸和夏威夷沿海建立阵列。到了60年代末时，在太平洋上建立了其他的阵列。一个升级后的阵列被安置于从阿拉斯加北端延伸至巴哈半岛的海域。远在太平洋上，一个长度为1300英里的圆形阵列（代号为“海蜘蛛”），环绕在夏威夷群岛周围。沿着千岛群岛的西边则有另一个阵列，能够探测位于彼得罗巴浦洛夫斯克或鄂霍次克海的海军基地的俄罗斯潜艇。

其他的阵列还有建立在非洲西海岸沿海的圣马丽亚岛之外的一个阵列，被用于追踪前往直布罗陀海峡和绕过好望角的苏联潜艇。一个位于南斯拉夫和土耳其之间的博斯普鲁斯海峡的阵列则探测驻扎在赛瓦斯托波尔的黑海港口的潜艇。还有一些阵列建立在台湾和菲律宾附近，以及印度洋上的迭戈加西亚的附近。在土耳其、日本、波多黎各、巴巴多斯、加拿大、意大利、丹麦、巴拿马和关岛沿海还有其他的阵列。

阵列中的水听器被密封于容器中，每个容器中大约有24个水听器，电缆将数据传输给岸上的设施。此前的几十年中，搜集到的数据被发给许多的海军基地（Naval Facilities, NAVFACs），然后再发送给设于全世界的海军区域处理中心（Naval Regional Processing Centers, NRPCs）。现在数据则被传输给两个海军海洋处理基地（Naval Ocean Processing Facilities, NOPFs）。位于惠德比岛的基地也接收来自SURTASS搜集活动的数据。这个基地有大约325名在编人员，25名军官，有30名加拿大军人组成的一个分遣队，还有15名文职雇员。另一个基地位于弗吉尼亚州丹奈克，有222名在编人员以及来自美国海军、英国皇家海军、英国皇家空军的22名军官和7名文职雇员。两个基地的职能是集中化地上报、对照、定位和追踪潜艇目标。他们对水下信号进行分析和处理，每天24小时地将数据传输给海军。

海军还在意大利和挪威运作了海平面下监视分遣队（Undersea Surveillance Detachments）。这些分遣队为战区反潜战司令官提供支持。它们负责“对潜艇的相关信息进行探测、分类、追踪和及时提供相关报告”，并且“搜集长期的海洋地理和海面下的地质信息”。

通过探测潜艇搜集来的所有数据（其声呐回声和发动机噪声、其散热系统和其推进器的运动）都会被转化为识别信号。可以判断出潜艇的与众不同的模式，不光是潜艇的特殊种类——例如，是“阿尔法级”攻击型潜艇而非“台风级”携带弹道导弹的潜艇，还有特定的潜艇。因此，当数据经过分析后，其作用就如同通过指纹或声纹识别个体一样。

苏联潜艇的重大变化逐渐降低了SOSUS的价值。苏联海基弹道导弹的前三代——SS-N-4蛇鲨（Snark）、SS-N-5塞尔布（Serb）、SS-N-6叶蜂（Sawfly），射程为350-1600海里。从1973年开始，随着射程为4200海里的SS-N-8的投入使用，苏联的潜艇不再需要离开苏联的领海就能打击在美国的目标。苏联在此方面的能力多年来一直在增强，射程达3500—4500海里的SS-N-18和SS-N-20也被投入使用。在苏联解体之前的几年中，俄罗斯的配备弹道导弹的潜艇在大西洋海岸和太平洋海岸沿海的行动更少了，降低了覆盖这些区域的SOSUS阵列的价值。但是，20世纪90年代末，俄罗斯的潜艇被发现出没于美国的每个海岸的沿海区域。2009年8月，据相关报道所称，两艘俄罗斯核动力攻击型潜艇一直在东部沿海地区游弋。

正如国防支援计划一样，虽然SOSUS建立时的设想是监控主要战略武器，但它更有能力提供活动方面的信息。另一个能力是对水面舰艇的探测和追踪。SOSUS显示出更让人惊讶的能力是对飞越海洋的飞机进行追踪和识别。这个能力是在1965年和1966年首次显现出来的，当时SOSUS挪威站探测到了飞越挪威海的苏联熊-D轰炸机。

同样，这些能力使得SOSUS在监控苏联潜艇的活动方面作用不凡，也使其能够探测到核爆和其他的爆炸，无论发生在水下还是海洋附近。因此，美国空军技术应用中心曾经利用全世界的9个水声站来实现对北太平洋、大西洋和邻近南大西洋的南冰洋的覆盖。其中有8个站点是与SOSUS互相配合工作的。美国空军技术应用中心的设备要尽可能近地与水中听音器电缆近终端连接在一起，最大程度地绕过主电子器件。然后，数字数据被转成密码，通过专用电路经由卫星通信线路传输给美国空军技术应用中心总部的水声行动中心（Hydroacoustic Operations Center）。水声数据中心全天候工作，其任务是识别每一条波录音的来源。

1995年，太平洋中SOSUS阵列探测到了法国在穆鲁罗阿岛举行的核试验；它们还在无意中探测到俄罗斯核潜艇“库尔斯克”号在2008年8月下沉之前毁灭性的内部爆炸。

海面下测量与特征信号情报的搜集更为机动的形式，是设计得像鱼一样的搜集系统。20世纪90年代，中央情报局的高级技术办公室开发了名为“查理”的一种机器鲶鱼，“研究无人水下载体的可行性……出于情报搜集的目的”。查理的任务是秘密搜集水样本。2014年末，据有关报道称，海军根据“沉默的尼莫”（SILENT NEMO）项目，正在开发一个代号为“幽灵游泳者”（GHOSTSWIMMER）的载体，这个5英尺长、100磅重的水下载体看上去像一个蓝鳍金枪鱼（除了它像鲨鱼一样有一个背鳍），任务是秘密收集情报，包括测量与特征信号情报。