Khu trưng bày tài nguyên biển Hoàng Sa - Trường Sa được thiết kế trong đường hầm xuyên qua núi Bảo Đại, dài gần 100 m, cao khoảng 5 m. Việc xây dựng khu trưng bày tài nguyên biển đảo Hoàng Sa - Trường Sa giúp cho công chúng hiểu rõ hơn các giá trị kinh tế, môi trường sinh thái, an ninh quốc phòng…trên 2 quần đảo thiêng liêng của Tổ quốc. Qua đó nâng cao ý thức và thêm yêu quý hai quần đảo này.

   Đến đây, du khách có thể chiêm ngưỡng hàng trăm mẫu sinh vật được lấy từ vùng biển Hoàng Sa - Trường Sa như: cá mặt trăng đuôi nhọn lấy từ Trường Sa năm 1998; cá thu song khổng lồ nặng 70 kg, dài 4m lấy từ Trường Sa. Các loài san hô, trai khổng lồ, ốc xà cừ, ốc kim khôi, ốc tù và…với những hình dáng rất độc đáo. Bên cạnh đó là các mẫu địa chất thu thập được tại 2 quần đảo trên như: bom núi lửa thu được năm 1989 tại đảo Phan Vinh (thuộc quần đảo Trường Sa), các loại đá vôi san hô, vỏ xác sinh vật…Tại phòng trưng bày còn có khu nuôi sinh vật biển, du khách có thể ngắm nhìn các loài sinh vật sống, là những loài sống đặc trưng, phân bố tại vùng đảo Hoàng Sa - Trường Sa được thuần hóa và cho sinh sản nhân tạo tại Viện Hải dương học.

   Các loại tai biến thiên nhiên ở một số vùng trên thế giới như sóng thần, bão, lũ lụt, động đất… đã được thể hiện qua 40 áp phích, poster mang đến cho người xem một phần những thiệt hại mà các tai biến thiên nhiên đã gây ra cho các nước ven biển kể cả Việt Nam trong những thập kỷ gần đây.

   Phòng trưng bày chuyên đề Rùa biển là nơi thu hút đối với khách tham quan, nhất là các em học sinh. Nơi đây trưng bày đầy đủ những hình ảnh, thông tin về tất cả những loài rùa biển ở Việt Nam, các mối đe dọa và việc bảo vệ rùa biển. Đặc biệt, với mô hình sống động về vòng đời, du khách có thể hình dung một cách đây đủ về việc sinh sản của Rùa biển trong tự nhiên. 

   Ngoài việc chiêm ngưỡng vẻ đẹp của hàng trăm loài sinh vật biển nhiệt đới, trên 20 ngàn mẫu sinh vật biển quý hiếm được sưu tầm qua nhiều thập kỷ ở biển Việt Nam và các vùng nước lân cận…. Khách tham quan còn có thể tận mắt khám phá và tìm hiểu về nghề khai thác thủy hải sản truyền thống của ngư dân vùng vịnh Bắc Bộ và vùng duyên hải miền Trung Việt Nam trong đoạn cuối cuộc hành trình tham quan ở Bảo tàng Hải dương học mà không cần phải tới những làng ven biển Việt Nam.

   Không chỉ là nơi lưu giữ, bảo quản và trưng bày những mẫu sinh vật quý, Bảo tàng Hải dương học còn mang đến cho du khách những khám phá thú vị về nền văn hóa truyền thống của ngư dân ven biển Nam Trung Bộ thông qua bộ sưu tập thông tin và hình ảnh về lễ hội Cầu Ngư.

   Với 50 posters, cùng các mô hình tái hiện lại những nghi thức của lễ hội Cầu Ngư, phòng trưng bày sẽ làm thỏa mãn những du khách thích khám phá về phong tục truyền thống giàu tính nhân văn được hình thành và phát triển qua hàng trăm năm của ngư dân ven biển vùng duyên hải.

   "Bộ sưu tập cá mập/nhám" giới thiệu đến công chúng những đặc điểm nhận dạng, sinh học – sinh thái học, phân bố, mức độ nguy cấp, vv… của một số loài cá mập/nhám thường gặp ở vùng biển Việt Nam. Qua đó, người xem có thể có những hiểu biết về cá mập để phòng tránh những mối nguy hiểm khi gặp chúng, đồng thời nâng cao nhận thức về việc bảo vệ cá mập/nhám đang bị khai thác quá mức cho mục đích thương mại, nhằm bảo vệ sự cân bằng môi trường sinh thái trên các đại dương.