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. έως τον 5ο αιώνα μ.Χ.

Η βιβλιοθήκη του Μουσείου αποτελείται από 5.000 περίπου σπάνια βιβλία, παλαιών και νεωτέρων εκδόσεων, περιλαμβάνει αρχείο χειρογράφων και φωτογραφιών και συνεχώς εμπλουτίζεται.

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

Εκτός των άλλων εκθεμάτων του, το Ναυτικό Μουσείο Αιγαίου είναι το πρώτο ελληνικό μουσείο που ανέλαβε και ολοκλήρωσε τη διάσωση και διατήρηση ζωντανών ιστορικών εκθεμάτων.

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) που το Ναυτικό Μουσείο Αιγαίου διέσωσε, αποκατέστησε και σήμερα λειτουργούν και πάλι με την τεχνολογία της εποχής τους.

Ο Φάρος βρίσκεται στον κήπο του Μουσείου, στη Μύκονο, ενώ η "Ευαγγελίστρια" και ο "Θαλής ο Μιλήσιος" φιλοξενούνται από το Πολεμικό Ναυτικό στο Τροκαντερό, στη μαρίνα του Παλαιού Φαλήρου.