国家海洋博物馆主体三层，局部四层，展厅面积共计2.3万平方米，共设六大展区，15个展厅，包括中华海洋人文展区、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、高端合作展览及临时展览区，同时设有博物馆商店、餐厅、咖啡厅、影院等公共服务设施。作为一座具有中国特色、能体现国家海洋文化标志的大型综合性、永久性海洋博物馆，国家海洋博物馆外观已经全部建设完成。目前正在进行内部展品的最后收尾和灯光调试，预计将于今年年内正式开馆，与广大市民见面！未来开馆后，国家海洋博物馆将实行观众免费进场参观。
海上对外交流展区
以海上对外交流为主题，展示复原宋元福船，以及相关的航海船舶数据及航海科技，通过大型展区陈列，互动体验，公共艺术设计，及文物陈列等形式，展现古代人们利用海洋技术及海洋装备，与南屿岛国及沿线国家进行文化和贸易的交流。
远古海洋展厅
包括洪荒海洋——前寒武纪海洋、生命海洋——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，是目前国内展品较全、面积最大的古海洋专题展厅。
展览从地球的形成引出海洋是怎样形成的思考，通过对海洋的认知，认识到生命最早起源于海洋，引申出对生命形成的探索，通过地质年代表揭示地质年代与生命进化的关系，最后说明地球海洋的变化一刻也不会停止，现代海洋世界等待观众去探索和发现。
今日海洋展厅
包括本底海洋、生命海洋、海洋环境与可持续发展3大部分，共展出标本5000余件，整个展厅将陈列许多令人叹为观止的精美标本。
有长达9. 4米的鲸鲨，7-8米的白鲸等，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，还有目前世界上最完整的一套中国海域无脊椎动物标本，其品类多达4600余种，展览面积超过30平方米。
海洋爬行动物展
包括科学与传说，陆地、海洋和天空，“龙”的时代三个主要展示内容，展厅面积1000平方米。
展览以海洋是生命的摇篮为主题，讲述地球生命起源于海洋，自诞生那一刻起就开始努力摆脱水环境，踏上征服陆地的旅程，富于戏剧性的是，它们历经千辛万苦征服陆地后，不久便大规模地重返海洋，最终这一幕在6500万年以前戛然而止，绝大多数海洋爬行动物和陆地上的恐龙一起灭绝了，成为这地球生命演化史上最为波澜壮阔的一幕。
航海发现之旅展厅
包括序厅、达尔文的环球考察、探秘大洋洲、冰冻荒原、非洲之旅、深入新大陆、奇境欧亚7个板块。
展览以演化是物种形成理论为科学依据，以人类的航海大发现为故事基础，形成一条海洋生态与陆生动物有机结合的故事线，以海洋对地理环境物种分布造成的影响为自然线索，以航海探险科学发现为人文线索，让观众跟随科学家勇敢的脚步探索各大洲，感受波澜壮阔的航海时代，开启一段精彩的航海发现之旅。
其他特色展区
参观完人文与自然几个展区，观众可以继续参观其他特色展区，包括海洋互动展区、“穿越极地”展、海洋科普教育区、高端合作展览——海上丝绸之路主题展览、海洋活体展区。
整个展览分为“极地生命”、“科考基地”、“极地生存大挑战”“极地生命"三个主题区，主要以极地动物对环境的适应为主线,设置南北极两个抽象化的场景,场景周围设计若干小型互动展项展示极地生命的生存智慧,让公众对极地环境有大致的了解。海洋生态展区包括活体珊瑚生态展、活体鱼类展、活体水母展三个展厅，该展厅将与专业公司进行合作展览，采用由馆方管理，专业公司饲养的方式。作为我国唯一的国家级人文与自然为主题的综合性海洋博物馆，海博智慧博物馆将实现智慧服务全空间、全流程的覆盖，让智慧化无处不在，互通互联，让海博展览“永不落幕”。