海洋博物馆现有若干的常设展厅，分别是远古海洋、龙的时代、今日海洋、发现之旅、海洋与天文、中华海洋文明第一篇章、中华海洋文明第二篇章、民法典展览、从风帆到行轮、蓝色家园。
远古海洋展厅以地质年代为轴，通过展览叠层石、三叶虫、鹦鹉螺、菊石、鱼龙等1158件化石标本，讲述了46亿年以来地球、海洋和生命的演化故事。
龙的时代展厅通过展览鱼龙、翼龙化石及霸王龙化石模型揭示海洋是生命的摇篮这一主题。
今日海洋展厅展示了本底海洋、生命海洋、海洋环境与可持续发展3大部分知识，整个展厅5000余件精美标本令人赞叹，有长达9. 4米的鲸.鲨标本，极其罕见的怀孕双髻鲨塑化标本，海底滑翔机蝠鲼、大王乌贼以及300余种五彩斑斓的鱼类、100多种海生鸟类、 品类较全的一套中国海域无脊椎动物标本。
发现之旅展厅展现了随着大航海时代的兴起，世界从分散走向整体。勇敢的探险家克服了种种困难让地球的全貌逐渐展现在世人面前。
来到海洋与天文展厅，大家有没有一个疑问，为什么要在海洋博物馆设置天文展厅，海洋与天文到底有什么样的关系?实天文与海洋的关系是非常紧密的，就连组成海洋的水，都极有可能来自于天上的彗星。起初，我们探索星星，是因为航海的需求。随着我们对天文认识的不断加深，我们发现地球海洋的许多现象都与天文有着密切的关系，它们影响着海洋的同时也影响着日常的生活。后来，人类不再甘于在地上研究星星，转而前往宇宙探索，因而衍生出了卫星导航系统，应用于航海和日常出行中。因此,从古至今,天文与航海都是密不可分的。
