L'edificio principale raccoglie cimeli artistici e storici legati alla storia della marina italiana distribuiti in 42 sale espositive su un totale di cinque piani.

Fanno parte del museo anche il "padiglione delle Navi" nell'antica officina dei remi dell'arsenale e la chiesa di San Biagio, antico luogo di culto della marineria veneta e poi austriaca, infine adibita alle funzioni religiose del personale della Marina Militare.

All'esterno, a ridosso dell'edificio presso l'ingresso, dal 1961, sono collocate due ancore di due corazzate austro-ungariche della prima guerra mondiale, una della SMS Viribus Unitis e l'altra della SMS Tegetthoff, le cui gemelle sono poste all'ingresso di Palazzo Marina a Roma. I primi tre livelli sono dedicati alle imprese, alle attrezzature e ai personaggi della Marina di Venezia e della Marina italiana, con alcune testimonianze delle altre Repubbliche marinare al secondo piano. Sempre al secondo livello, è presente una sala dedicata al Bucintoro, l'antica imbarcazione da cerimonia del doge.

Di grande interesse anche il "Padiglione delle navi", dove, in un'area di duemila metri quadri, sono esposti alcuni esemplari (veri, non modelli) di imbarcazioni tipi che veneziane, antiche gondole da cerimonia, barche lagunari da lavoro; e poi imbarcazioni militari, per esempio una delle poche motosiluranti rimaste alla nostra Marina dopo la Seconda guerra mondiale, e barche da corsa come il famoso racer degli anni Trenta " Asso" (scafo Baglietto, motore Isotta Fraschini, pilota Cattaneo).