Nếu như hệ thống hồ nuôi và thuần dưỡng các loài sinh vật sống là nơi thu hút mọi tầng lớp khách tham quan bởi vẻ đẹp và sự sinh động của các sinh vật biển thì khu trưng bày đa đạng sinh vật biển được xem là bộ phận có ý nghĩa nhất làm nên nét đặc trưng cho Bảo tàng Hải dương học trong hệ thống các bảo tàng ở Việt Nam.
Khu trưng bày đa dạng là nơi đang trưng bày, bảo quản bộ mẫu sinh vật biển – nguồn di sản biển lớn nhất Việt Nam hiện nay. Nơi đây đang lưu giữ và bảo tồn một bộ mẫu sinh vật biển lớn và quý với khoảng 23.000 mẫu thuộc 5.000 loài (thuộc các nhóm: thực vật biển, Hải miên, Ruột khoang, Thân mềm, Giáp xác, Da dai, Cá, Bò sát, Thú biển). Bộ mẫu sinh vật biển bao gồm các loài hiện hữu ở biển Việt Nam và các vùng nước lân cận. Ngoài những mẫu có giá trị khoa học, Bảo tàng còn lưu giữ nhiều mẫu quí hiếm như: Cá Tầm (Acipenser sinensis), Cua Vua (Paralithoides sp.), Cá Mặt trăng đuôi nhọn (Masturus lanceolatus), Trai khổng lồ (Tridacna gigas) nặng 145kg, Mực bay khổng lồ (Thysanoteuthis rhombus), Cá Ông Chuông (Pseudorca crassidens), Hải Cẩu (Phoca larga) v.v…
Tháng 10/2012 Bảo tàng Hải dương học được Trung tâm sách kỷ lục Việt Nam (VietKings) chính thức xác lập và công bố “Nơi lưu trữ bộ mẫu sinh vật biển lớn nhất”.