国家南海博物馆依地势而建，总建筑面积达 70593 平方米。整体建筑分为南北两区，南区是主要的展览区域，地下 1 层，地上 5 层，有 8 个室内展厅和一个敞开式室外展廊，设文创销售区、儿童互动区、公共服务区及接待区等，重在博物馆陈列展览功能；北区地上 5 层，有 2 个展厅，主要用于引进临时展览，设多功能厅、会议报告厅、接待厅、文创销售区和观众餐厅、书店等，满足参观、旅游、会议和文化休闲等功能需求，重在博物馆的社会化服务功能。南、北区通过最大跨度约为 60 米的空中平台和屋盖连接为一体。

博物馆的建筑设计融合了现代美学风格与中国文化元素，取义 “丝路逐浪，南海之舟”。其形体既具有翻卷的海浪及铺撒的渔网之动态美感，也从不同的层面表现出海船、民居等特性，具有多重解读的可能。在相对紧张的用地条件下，为充分保护场地内历史遗留的红树林景观湿地，采取了连廊和屋顶最大达 60 余米的双层高跨方式，尽可能减少对湿地的影响，并将其作为特色景观节点，实现了建筑与环境的双赢。

博物馆合理承继海南传统民居智慧，在形体设置、空间组织、界面设计、景观协同等多层面加以优化以应对排水、遮阳、通风、抵御台风等要求，形成环境响应和气候适应的生态绿色建筑。连续起伏的坡屋顶及简洁的形体下蕴含了从海滨到城市道路的层次丰富的空间格局。与海湾伴生的檐廊灰空间及观海大厅成为令人印象深刻的高品质公共空间，形成了良好的建筑室内外、建筑与海洋的互动关系。

南海自然生态陈列：南海自然生态陈列从南海记忆、南海花园、南海宝藏、南海风云和保护南海五个部分展示南海的自然生态。展览利用光、影、声等展示手段，结合触控、虚拟现实等展示技术，以动静结合的展示内容，全面、集中地展示了南海自然生态、生物与资源的多样性。近 300 种海洋鱼类与海洋哺乳类，200 余种贝类与螺类，50 余种珊瑚，40 余种虾类与蟹类，100 余种鸟类，26 种两栖爬行类，39 种蕨类与被子植物，17 种矿物与化石，为观众铺开一幅广袤、深邃与富饶的南海画卷。

南海人文历史陈列：南海人文历史陈列讲述中国人民在南海两千多年的活动历史，以及中国对南海诸岛的主权行使。通过三沙岛礁 360° 全景高清互动（VR 影像展示）让观众在展馆中感受千里之外的南海之美。展览展示了中国最早发现、命名和开发利用南海诸岛及相关海域，最早并持续、和平、有效地对南海诸岛及相关海域行使主权和管辖的历史。唐宋以来，中国政府将南海诸岛纳入版图，设府管辖；设置水师，巡海守卫；拟定地名，持续管理。20 世纪 30 年代至 40 年代，日本在侵华战争期间非法侵占中国西沙群岛和南沙群岛。第二次世界大战结束后，中国政府恢复对南海诸岛行使主权。新中国成立后，中国政府进一步对南海诸岛及相关海域实施管辖，南海建设日新月异。

八百年守候 —— 西沙华光礁 Ⅰ 号沉船特展：中国远洋海域 “华光礁 Ⅰ 号沉船” 沉船特展。以 “华光礁 Ⅰ 号沉船” 为核心，立足于沉船本身，通过听一个故事、看一段历史，对船体、船货、发掘、保护等信息解读与展示。1996 年，琼海市潭门镇的渔民在出海作业时发现了这艘沉船，经过两次水下考古发掘，出水船板 511 块，出水文物近万件，有瓷器、铜器等。“华光礁 Ⅰ 号” 是典型的福船船型，配备 13 个水密隔舱，起到分舱抗沉的作用。同时采用多重板鱼鳞搭接结构，可以防止船外水的渗漏，提高船壳板结构强度。它的特点是头部尖，尾部宽，两头上翘，下侧如刃，适合深海航行，可作为运输船和战舰。

探海寻踪 —— 中国水下考古与南海水下文化遗产保护：展览重点展示了中国水下考古发展历程及在南海海域的主要水下考古成果。20 世纪 80 年代，中国水下考古工作者先后在中国沿海地区开展了一系列水下考古工作。90 年代国家文物部门组织实施西沙群岛文物普查和水下考古调查，发现一批古代沉船遗址和水下文化遗存，出水了大量陶瓷器、历代铜钱及石雕制品等遗物。21 世纪初，在南海海域对宋代 “南海 Ⅰ 号”“华光礁 Ⅰ 号” 和明代 “南澳 Ⅰ 号” 等沉船开展水下考古发掘和文化遗产保护工作，出水了十分丰富的文物，取得了重大成果。

深蓝宝藏 —— 南海西北陆坡一二号沉船考古成果特展：展览紧紧围绕两处沉船遗址的发现、调查、初步研究成果、拓展延伸、文物保护等方面，精选两处沉船遗址考古出水文物约 408 件（套），并向故宫博物院等五家文博单位借展相关文物 34 件（套），共计约 442 件（套），配以图文版面、情境设计、文物保护过程展示等手段，让人通过珍贵的出水文物、水下影像和考古故事，了解南海水下考古的重要发现，感受古代海上丝绸之路的历史魅力。