Музей берёт своё начало от Санкт-Петербургской модель-камеры — хранилища кораблестроительных моделей и чертежей, впервые упомянутой в письме Петра I 13 (24) января 1709 г.
Современная коллекция ЦВММ насчитывает свыше 700 000 единиц хранения, в том числе, более 2000 моделей кораблей. Музей имеет шесть филиалов: на крейсере «Аврора», «Подводная лодка Д-2 „Народоволец“», «Кронштадтская крепость» в Санкт-Петербурге; «Дорога жизни» (пос. Ладожское озеро Ленинградской обл.), Музей Балтийского флота (г. Балтийск), Корабль боевой славы «Михаил Кутузов» (г. Новороссийск), Музей Черноморского флота (г. Севастополь).
