中国航海博物馆分设航海历史、船舶、港口、海事与海上安全、海员、军事航海等六大展馆。其中，位于一楼大厅内的高近70米、长30余米，宽逾8米的巨型明代福船，是航海历史馆的“镇馆之宝”，它带领人们走进中国从郑和下西洋以来波澜壮阔的航海历史。 在海事与海上安全馆，仿真模型逼真地再现了直升机和救生索具搭建出的海上立体救助场景。观众还可以通过实物参观和多媒体影像，重温“振华4号”在亚丁湾成功击退索马里海盗等航海热点事件。
而在上海中国航海博物馆二楼的军事馆，大量文物展示和反映了中国海军建军的光辉历程，并陈设有各类中国军舰的模型。
为培养青少年对于海洋的向往、对航海事业的兴趣与热爱，上海中国航海博物馆内还设有天象馆、航海4D影院等，让参观者可以足不出馆就体验到大航海时代的无穷魅力。中国航海博物馆的筹建，是国务院为推进上海国际航运中心建设这一国家战略作出的重要决定。它的建成，将更好地展现我国悠久的航海历史、技术及其对世界科学技术发展的贡献，弘扬中华民族灿烂的航海文明及优良传统，普及航海知识，构建国际航海交流平台，并对广大青少年进行生动的爱国主义教育。2005年，党中央和国务院隆重举行了郑和下西洋600周年纪念活动，之后，国务院批准同意在上海建设我国第一家国家级航海博物馆。在交通运输部和上海市政府的领导下，全国各大交通港航管理部门和企业、文博单位、高等院校、研究机构以及社会各界给予了极大的关注和支持。自2006年筹建工作启动至今，历经四年的艰苦筹建，博物馆已完成展馆建设及布展工作。目前，馆藏文物已达2万余件，包括一批具有重要收藏、研究价值，反映我国航海历史、航海技术的重要事件和重要人物的文物与实物。例如反映我国古代造船技术的明代快船、福船，我国第一幅世界地图“大明混一图”、青铜器水陆攻战壶、古代海外贸易瓷器、十九世纪的航海仪器等。同时，博物馆具有互动类展项70余项，并运用模型、场景、多媒体、环境模拟等辅助手段，真实再现中国航海历史发展历程，生动传播科学航海知识。
作为交通运输部和上海市人民政府共同筹建的，我国第一家以航海为主题的国家级博物馆，地处上海市浦东新区临港新城，毗邻上海国际航运中心洋山深水港区。博物馆建筑面积46434平方米，室内展示面积21000平方米，其建设规模和陈展、服务设施均达到国际同类博物馆先进水平。博物馆以“航海”为主线、“博物”为基础，分设航海历史、船舶、航海与港口、海事与海上安全、海员、军事航海等六大展馆，渔船与捕鱼、航海体育与休闲两个专题展区，并建有天象馆、4D影院、儿童活动中心。努力体现博物馆的文物收藏、学术研究、社会教育、陈列展示、科普宣传、爱国主义教育等功能。
目前，中国航海博物馆已与加拿大、澳大利亚、意大利、荷兰、德国等5个国家级航海博物馆建立了友好馆关系。
