Muzej zbira, preučuje in predstavlja pomorsko dediščino in na pomorstvo vezane gospodarske panoge obalnega območja in celotnega slovenskega prostora. V ta namen ima urejeno zbirko pomorske arheologije, etnološko ribiško zbirko ter zgodovinsko, etnološko in umetnostnozgodovinsko zbirko pomorstva od srednjega veka do konca 2. svetovne vojne. Poleg tega ima muzej še štiri dislocirane enote: Muzej solinarstva v Sečoveljskih solinah, ki prikazuje nekdanje življenje solinarjev in tradicionalni način pridelovanja soli; etnološko zbirko Tonina hiša, kjer je v rekonstruirani oljarni z mlinom in stiskalnico ter kmečko kuhinjo in sobo prikazano oljarstvo in način življenja istrskega kmeta v preteklosti; Tartinijevo spominsko sobo v rojstni hiši violinista Giuseppeja Tartinija, kjer so predstavljeni dragoceni predmeti iz njegove zapuščine, med katerimi zbuja pozornost njegova violina; Monfort, nekdanje skladišče soli, pa prikazuje zbirki tradicionalnega ladjedelstva in razvoja vodnih športov, poleg tega je na ogled nova razstava »Sal Nostrum: iz solin v skladišča soli«, ki prikazuje razvoj skladišč soli in pot soli iz solin v skladišča. V morju pred Pomorskim muzejem je usidrano muzejsko plovilo: jadrnica Galeb, ki sta ga muzeju podarila znana baletnika Pia in Pino Mlakar. Pomorski muzej Piran je postavil tudi zbirko Izolana, Hišo morja v Izoli, nad katero ima tudi strokovni nadzor.