国家海洋博物馆主体3层，局部4层，建筑面积8万平方米，博物馆设计展示面积2.3万平方米。展示内容以“海洋与人类”为主题，分为“海洋人文”、“天然海洋”、“海洋生态”三大板块，共有六大展区15个展厅。
其中中华海洋人文科学展区、海洋自然展区、海洋互动展区、海洋科普教育区、海洋生态展区、高端合作展览区、临时展览区和海洋生活展区。
中华海洋人文展区设有中华海洋文明第一章、第二章、海洋强国及海上对外交流展区。
表现出中华先民在漫长的历史长河中与大海共存的历史。第二章展示了明清时期在禁海与开海的不断论战中，对外交往的步伐从未停顿，鸦片战争使中国人产生了海洋危机意识。
海洋生物展区有远古海洋、今日海洋、海洋星辰、龙年—爬行动物展、航海探索之旅5个展厅。
古代海洋展厅包括“洪荒海洋”-前寒武纪海洋，生命-古生代海洋，龙海沧桑-中生代海洋，新生海洋-新生代海洋四个部分内容，是目前国内较全、面积最大的海洋专题展厅。
今天海洋展厅由海底海洋、生命海洋、海洋环境和可持续发展三大部分组成，共有标本5000多件。
大海星辰展厅包括星汉灿烂、日月之行、遨游太阳系、星海漫游、星际大航海时代、超越目力6个部分。
龙年——海洋爬行动物展包含了科学与传说、陆地、海洋和天空。此次展览以海洋是生命的摇篮为主题，讲述了地球生命起源于海洋，从诞生之日起，就努力将地球环境摆好，开始征服陆地之旅。
航行探索之旅展览包括序厅、达尔文环游世界、大洋洲探险、冰冻荒原、非洲之旅、深入新大陆、奇境欧亚7个板块。
“欢乐海洋”主题空间分为热带海洋、温带海洋、极地海洋三个环境分区，以及与之对应的过渡区域。
《穿越极地》展将以“生命与环境、探索与发现、极地与人类”为主题词，力求展现极地多姿多彩的生活，揭示极地与全球气候变化的关系，弘扬科学家勇攀科学高峰的精神。全展分为“极地生活”、“科考基地”、“极地生存挑战”三个主题区。
“科考基地”以基地步入场景体验的形式，结合小型互动展项，让观众了解最新的科研成果，同时透过大型互动展项来了解和模拟科考人员的工作方式。
“极地生存大挑战”是为了让观众了解极地环境的恶劣，以及科考人员工作环境的艰苦，同时结合各种互动增加了展区的互动性和趣味性。
海洋学教育区包括4间科普教室、一间三角开放式教室和一间宽大开放活动厅，主要服务对象为学龄儿童，以青少年为主要服务对象，以开展青少年海洋科普教育为主，注重参与性，寓教于乐，增强亲海、识海、护海意识。
