Στα εκθέματα του Μουσείου περιλαμβάνονται ομοιώματα πλοίων από την προ-Μινωϊκή περίοδο μέχρι τις αρχές του 20ού αιώνα, ιστορικά ναυτιλιακά έγγραφα, σπάνια χαρακτικά και χάρτες, αρχαία αντικείμενα, ναυτικά όργανα, εξαρτήματα και εργαλεία, καθώς και νομίσματα με ναυτικά θέματα από τον 5ο αιώνα π.Χ..

Στον κήπο του Μουσείου υπάρχουν μαρμάρινα αντίγραφα επιτύμβιων στηλών με ανάγλυφες παραστάσεις από τη Δήλο, που αναφέρονται σε ναυάγια και ναυτικούς που χάθηκαν στη θάλασσα.

Εκτός των άλλων εκθεμάτων του, το Ναυτικό Μουσείο Αιγαίου ανέλαβε και ολοκλήρωσε τη διάσωση ζωντανών ιστορικών εκθεμάτων τα οποία αποκατέστησε και σήμερα λειτουργούν και πάλι με την τεχνολογία της εποχής τους.

Πρόκειται για τον Φάρο «Αρμενιστή» της Μυκόνου (κατασκευής 1890), το αιγαιοπελαγίτικο ιστιοφόρο τύπου «πέραμα» «Ευαγγελίστρια» (ναυπήγησης 1940) και το καλωδιακό ατμόπλοιο «Θαλής ο Μιλήσιος» (ναυπήγησης 1909).