אוסף המוזיאון הוא אחד מאוספי הארכיאולוגיה הגדולים בארץ. הוא מורכב מתת־אוספים שונים המבטאים את הקשר של האדם לים: ארכיאולוגיה תת־ימית; אמנות ימית; מיתולוגיה ימית; עוגנים עתיקים; מטבעות יווניים־רומיים; מכשירים מדעיים (ע"ש משפחת לנדאו); קנקני אגירה בסחר הימי הקדום (ע"ש דוד קנת ז"ל); הים התיכון: נמליו ואייו - נמלי פיניקיה וארץ ישראל; קרטוגרפיה וגרפיקה (ע"ש קרל ולי הנדלר); ספנות חדשה; קרבות ים; ובנייה ימית. תצוגה נרחבת של פריטים נבחרים מתוך האוסף מוצגת דרך קבע במוזיאון.

אוסף דגמי הספינות העתיקות מכיל פריטים שנבנו על פי תבליטים וציורי קיר שנשתמרו בארמונות ובקברים ובעזרת מקורות ספרותיים מהתקופות השונות. הדגמים מציגים את התפתחות ספינות המסחר והמלחמה של יוון ורומי, המעצמות הימיות של העולם העתיק, לצד ספינות מהתקופה הביזנטית, מימי הביניים, מעידן התגליות ועד הספנות של ימינו.

האוסף הנומיסמטי מונה למעלה מאלף מטבעות המעוטרים בנושאים ימיים: אניות, עוגנים, נמלים, אלילים, דגים וצדפים. בנוסף למדור המטבעות היוונים־רומיים, מוצגים גם מדליות ומדליונים שהוטבעו לזכר מאורעות ימיים חשובים מאז תקופת הרנסאנס ועד ימינו.

אוסף המיתולוגיה הימית כולל פסלוני אלילים מחרס ומברונזה, שהבולטים בינהם פסלוני אפרודיטה ופוסידון. הפסלונים, כמו גם המפלצות הימיות והדגים המעטרים חותמות, נרות חרס, פסיפסים ומפות, ממחישים את האמונה בכוחו העצום של הים.

האוסף של המכשירים המדעיים כולל מכשירי ניווט ימי נדירים מן המאה ה־ט"ו ואילך: אצטרולבים, מצפנים, משקפות, שעוני חול ומכשירי מדידה. למדור זה שייכים גם מכשירים אסטרונומיים שנוצרו בסין במשך האלף הראשון לפני סה"נ.

אוסף קנקני האגירה שהיו חלק מהסחר הימי כולל כלי חרס רבים שנמשו מהים, המייצגים חתך של למעלה משלושת אלפים שנות סחר ימי באגן המזרחי של הים התיכון.

באוסף הקרטוגרפיה והגרפיקה למעלה מ־3500 מפות ותחריטים. אוסף זה מעיד על פריחתה של הקרטוגרפיה בתקופת התגליות, שבמהלכה נעשו המפות מדויקות יותר והחל השימוש בצבעים. האוסף כולל קבוצה מיוחדת של מפות ארץ הקודש.

בשנת 1997 צורף לאוסף של המוזיאון הימי הלאומי האוסף של המוזיאון לאמנות עתיקה. לכן לצד המוצגים השייכים לארכיאולוגיה ימית ניתן לראות גם מוצגים עתיקים שאין להם זיקה לים.