Nói đến Viện Hải dương học, người ta không thể không nhắc đến một bộ phận hữu cơ của nó là bảo tàng Hải dương học - vốn rất nổi tiếng từ những năm 30 của thế kỷ trước với cái tên dân dã là "Hồ cá Hải học viện Nha Trang". Hiện nay, bảo tàng Hải dương học được tập trung đầu tư nâng cấp, mở rộng và phát triển thành một quần thể liên hoàn bao gồm các bể nuôi sinh vật biển phục vụ nghiên cứu, tham quan cũng như giáo dục cộng đồng, và một hệ thống nhà lưu trữ mẫu sinh vật biển lớn nhất nước. Có rất nhiều mẫu vật đã được gửi đến nhiều phòng thí nghiệm khác nhau ở nước ngoài, nhiều bảo tàng trên thế giới.

Đến tham quan bảo tàng, ngoài việc chiêm ngưỡng vẻ đẹp của hàng trăm loài sinh vật biển nhiệt đới, khách tham quan còn có thể xem xét tìm hiểu hơn 10.000 loài sinh vật ở Biển Đông đang được lưu trữ. Bộ mẫu sinh vật biển bao gồm các loài hiện hữu ở biển Việt Nam, Campuchia và các vùng nước lân cận, trong đó có các loài thú biển quý hiếm đang có nguy cơ tuyệt chủng như Bò biển (Dugong). Đặc biệt, bảo tàng đang lưu giữ, bảo quản trưng bày bộ xương cá voi khổng lồ dài gần 18m, cao 3m đã bị chôn vùi trong lòng đất ở đồng bằng sông Hồng ít nhất hơn 200 năm. Đây thực sự là một di vật lịch sử tự nhiên vô cùng quý giá.

Bảo tàng còn giới thiệu với du khách các đặc điểm tự nhiên của vùng Biển Đông, giới thiệu những khoáng sản, tài nguyên quý giá, những cảnh quan môi trường vùng biển ven bờ, các hệ sinh thái giàu có như rừng ngập mặn, rạn san hô, thảm cỏ biển - để lưu ý nhắc nhở mọi người hãy nâng cao ý thức bảo vệ cảnh quan môi trường, nguồn lợi vì lợi ích của con cháu mai sau, bảo tàng Hải dương học đang trở thành trung tâm trưng bày giới thiệu và giáo dục truyền thống chinh phục khai thác và bảo vệ Biển Đông của người Việt. Đây thực sự là một trung tâm di sản văn hóa biển rất đáng quý, cần phải bảo quản và phát triển.