ส่วนจัดแสดงถูกแบ่งออกเป็น 3 ส่วน คือ สถานเลี้ยงสัตว์น้ำเค็ม ศูนย์เรียนรู้โลกใต้ทะเลบางแสน และพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล โดยบริเวณห้องโถงก่อนทางเข้าชมมีการจัดแสดงโครงกระดูกวาฬแกลบ ขนาดใหญ่จัดแสดงอยู่

ส่วนที่ 1 สถานเลี้ยงสัตว์น้ำเค็ม เป็นส่วนจัดแสดงพันธุ์สัตว์น้ำเพื่อให้ความรู้เกี่ยวกับสิ่งมีชีวิตและความเป็นอยู่ของสัตว์ทะเลชนิดต่าง ๆ ที่อาศัยอยู่ในเขตน่านน้ำของไทย โดยทรัพยากรที่ใช้ในการให้ความรู้ คือ สิ่งมีชีวิตในทะเลชนิดต่าง ๆ ทั้งพืชและสัตว์ที่ยังมีชีวิต โดยสิ่งมีชีวิตเหล่านี้จะถูกเลี้ยงในระบบน้ำหมุนเวียนแบบปิด ที่มีระบบยังชีพสำหรับให้สิ่งมีชีวิตต่าง ๆ เหล่านี้สามารถดำรงชีวิตอยู่ได้ โดยในแต่ละตู้มีการจัดสภาพแวดล้อมให้ใกล้เคียงธรรมชาติมากที่สุด แต่ละตู้จะมีป้ายเพื่อบ่งบอกชนิดสัตว์ทะเลที่อยู่ภายในตู้ ทั้งชื่อสามัญ ชื่อภาษาอังกฤษ และชื่อทางวิทยาศาสตร์ โดยแบ่งออกเป็น 6 โซน ได้แก่ โซนที่ 1 ชีวิตชายฝั่งทะเล โซนที่ 2 สีสันแห่งท้องทะเล โซนที่ 3 ครัวของโลก โซนที่ 4 แปลก...สวยซ่อนพิษ โซนที่ 5 ลานเรียนรู้ชาวเล และโซนที่ 6 ยักษ์ใหญ่ใต้สมุทร โดยเฉพาะโซนยักษ์ใหญ่ใต้สมุทรนี้ ถือได้ว่าเป็นจุดสนใจของสถาบันฯ แห่งนี้มาโดยตลอด เนื่องจากมีการเลี้ยงปลาขนาดใหญ่ เช่น ปลาหมอทะเล ปลากระมง ปลาฉลาม ปลากระเบน ฯลฯ จัดแสดงภายในตู้ขนาดใหญ่ที่มีความจุน้ำถึง 1,000 ตัน

ส่วนที่ 2 ศูนย์เรียนรู้โลกใต้ทะเลบางแสน เป็นศูนย์เรียนรู้ด้านวิทยาศาสตร์ทางทะเลแห่งใหม่ที่เชื่อมต่อกับอาคารสถานเลี้ยงสัตว์น้ำเค็มเดิม ภายในประกอบด้วย ส่วนจัดแสดงที่แบ่งออกเป็น 11 โซน ได้แก่ โซนที่ 1 ท่องสมุทร โซนที่ 2 มาหาสมุทร โซนที่ 3 เสียงเพรียกจากทะเล โซนที่ 4 ลัดเลาะเลียบหาด โซนที่ 5 แสงแห่งท้องทะเล โซนที่ 6 อัญมณีแห่งมหาสมุทร โซนที่ 7 สารพันปลาฝูง โซนที่ 8 มหัศจรรย์สัตว์พิเศษ โซนที่ 9 อัศจรรย์โลกสีคราม โซนที่ 10 ฟอสซิลมีชีวิต และโซนที่ 11 สาร (รักษ์) จากสมุทร จุดที่เป็นไฮไลท์สำคัญของส่วนนี้ คือ ตู้จัดแสดงที่มีความจุน้ำถึง 4,700 ตัน ลึก 13 เมตร และมีอุโมงค์ทางเลื่อนใต้น้ำขนาดใหญ่ที่มีความยาวถึง 37 เมตร ภายในโซนที่ 9 อัศจรรย์โลกสีคราม เพื่อจัดแสดงข้อมูลความรู้เกี่ยวกับพฤติกรรมของสัตว์ทะเลที่อาศัยอยู่ในเขตน้ำลึก นอกจากนี้ ยังมีตู้ทรงกระบอกขนาดใหญ่ (Cylinder Tank) ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 4 เมตร เพื่อจัดแสดงพันุธ์ปลาทะเลที่อาศัยอยู่รวมกันเป็นฝูง

ส่วนที่ 3 พิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล เป็นส่วนจัดแสดงในรูปแบบของพิพิธภัณฑ์ความรู้และตัวอย่างสิ่งมีชีวิตในทะเล โดยรวบรวมและจัดแสดงตัวอย่างสิ่งมีชีวิตในทะเลทั้งพืชและสัตว์นานาชนิด ซึ่งเก็บรักษาไว้ด้วยวิธีการดองและการสตัฟฟ์ รวมทั้งจัดแสดงนิทรรศการความรู้ต่าง ๆ เกี่ยวกับทะเลและการใช้ประโยชน์จากทะเล โดยบริเวณทางเข้ามีการจัดแสดงนิทรรศการเฉลิมพระเกียรติพระบาทสมเด็จพระเจ้าอยู่หัวภูมิพลอดุลยเดชฯ เกี่ยวกับพระราชกรณีกิจทางด้านการฟื้นฟูอนุรักษ์ทรัพยากรธรรมชาติทางทางทะเลและด้านวิทยาศาสตร์การประมง แบ่งออกเป็น 4 โซน ได้แก่ โซนที่ 1 นิทรรศการเรื่องราวของอาณาจักรของสิ่งมีชีวิตในทะเล โซนที่ 2 นิทรรศการเรื่องราวของทะเลและระบบนิเวศในทะเล โซนที่ 3 นิทรรศการเกี่ยวกับความสำคัญของทะเลที่มีต่อมนุษย์ และโซนที่ 4 ห้องพิพิธภัณฑ์เปลือกหอยและวิวัฒนาการของหอย โดยจุดที่เป็นไฮไลท์สำคัญของส่วนนี้ คือ การรวบรวมตัวอย่างสัตว์ทะเลที่หาดูได้ยากหรือใกล้สูญพันธุ์ที่ตายแล้ว มาจัดแสดงในรูปแบบสัตว์สตัฟฟ์ รวมถึงการนำโครงกระดูกสัตว์ทะเลขนาดใหญ่หรือชิ้นส่วนสำคัญของสัตว์ทะเลที่หาดูได้ยากแต่ละชนิดมารวบรวมไว้ที่นี่ เพื่อให้ความรู้และตระหนักถึงความสำคัญของสิ่งมีชีวิตในทะเล