Viện Hải dương học hiện đang lưu giữ và bảo tồn một bộ mẫu sinh vật biển lớn và quý: khoảng 20.000 mẫu của 5.000 loài (thuộc các nhóm: Thực vật biển, Hải miên, Ruột khoang, Thân mềm, Giáp xác, Giun nhiều tơ, Da gai, Sinh vật phù du, Cá, Bò sát, Thú biển). Bộ mẫu sinh vật biển bao gồm các loài hiện hữu ở Việt Nam và các vùng lân cận, kể cả một số mẫu cá nước ngọt ở Lào và Campuchia, có giá trị lớn phục vụ nghiên cứu về phân loại học, đa dạng sinh học biển và môi trường biển.

Trong Bảo tàng có một số mẫu sinh vật vùng biển ôn đới như: Cá tầm (Acipencer sinensis), Hải cẩu (Phoca Logar); các sinh vật quý hiếm gồm: Bò biển (Dugong dugon), Con đú (Caretta caretta), Rùa da (Dermochelys coriacea), Cá Ông chuông (Pseudorca crassidens); và nhiều sinh vật kích thước lớn như: cá Nạng hải (Manta birostris) nặng 1 tấn, dài 3,5m, rộng 5m, Cua vua (Paralithoides sp) dài 1,1m, cá Mặt Trăng đuôi nhọn (Masturus lanceolatus) dài 1,5m, rộng 1,6m, nặng 110kg, Trai khổng lồ (Tridacna gigas) nặng 147kg, Mực bay khổng lồ (Thysanoteuthis rhombus) nặng 12kg, dài 1,5m, rộng 0,6m.

Đặc biệt bảo tàng đang lưu giữ, trưng bày bộ xương Cá voi lưng gù (Megaptera novaeangliae) khổng lồ dài 18m, nặng 10 tấn, với đầy đủ 48 đốt cột sống được phục chế dù bị chôn vùi trong lòng đất ở Đồng bằng sông Hồng ít nhất hơn 200 năm nay. Đây thực sự là một di vật lịch sử tự nhiên vô cùng quý giá.

Bộ mẫu sống gồm trên 2.000 mẫu của hơn 150 loài thuộc 35 họ cá, 11 họ động vật Da gai, 9 họ Giáp xác, 4 họ động vật thân mềm, 1 họ giun nhiều tơ, 4 họ động vật Ruột khoang, 3 họ Thực vật biển. Trong số những sinh vật sống đang được nuôi giữ, cá là nhóm chiếm ưu thế, đặc biệt là cá rạn san hô với 33 trên tổng số 35 họ cá. Các loài cá rạn san hô có màu sắc đẹp mắt, được nuôi phổ biến trong các bể cá riêng lẻ hoặc các loài sinh vật khác trong hệ sinh thái rạn san hô, trong đó có những loài cá quý hiếm như cá Hoàng Đế, cá Hoàng Hậu, cá Tai thỏ. Với mục đích cảnh báo, bảo tàng cũng nuôi những loài cá gây nguy hiểm cho con người như cá đuối, cá nóc, cá mặt quỷ, cá mao tiên, cá chình…

Tháng 10/2012, Bảo tàng Hải Dương Học được Tổ chức Kỷ lục Việt Nam (VietKings) chính thức xác lập Kỷ lục “Nơi lưu trữ bộ mẫu sinh vật biển lớn nhất”.

Bảo tàng Hải Dương Học đã và 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 được chú trọng giữ gìn và phát triển.