國家海洋博物館座落於天津濱海新區中新天津生態城，項目佔地面積15萬平方米，場館總建築面積8萬平方米，國家海洋博物館主體三層，局部四層，展廳面積共計2.3萬平方米，共設六大展區，15個展廳，包括中華海洋人文展區、海洋自然展區、海洋互動展區、海洋科普教育區、海洋生態展區、高端合作展覽及臨時展覽區，同時設有博物館商店、餐廳、咖啡廳、影院等公共服務設施。
國家海洋博物館建成後，將是具有中國特色，體現國家海洋文化標誌的大型綜合性永久性海洋博物館，成為集收藏保護、展示教育、科學研究、交流傳播、旅遊觀光等功能於一體的國家海洋意識教育基地、國家海洋科普基地、愛國主義教育基地、海洋科學研究基地和海洋文化研究傳播中心。
中華海洋人文展區設有中華海洋文明第一篇章和第二篇章、海洋強國以及海上對外交流展區。
中華海洋文明第一篇章展現了在漫長的歷史歲月中，中華先民們與海共存，在認識海洋、開發海洋的過程中，承載的中華民族的寶貴的文化精神和傳統，及其為人類海洋文明發展做出的不可磨滅的貢獻。
中華海洋文明第二篇章展現了明清之際在禁海與開海的不斷爭論中，對外貿易與交往的步伐從未停滯，鴉片戰爭引發了中國人的海洋危機意識，在不屈抗爭的同時，國人也積極吸納西方海洋文明，發展海洋經濟，維護海洋權益，探索海洋發展的近代化之路，轉型時代的艱難曲折，失望與希望並存。
海洋強國展覽通過模型、多媒體互動展現的方式，展示出我國作為21世紀的海洋大國，著眼於中國特色社會主義事業發展全局，統籌國內外兩個大局，堅持陸海統籌，堅持走依海復國、以海強國、人海和諧、合作共贏的發展道路，紮實推進海洋強國建設的歷程。
海上對外交流展區以海上對外交流為主題，展示復原宋元福船，以及相關的航海船舶數據及航海科技，通過大型展區陳列，互動體驗，公共藝術設計，及文物陳列等形式，展現古代人們利用海洋技術及海洋裝備，與南嶼島國及沿線國家進行文化和貿易的交流。
海洋自然展區包括遠古海洋、今日海洋、大海星辰、龍的時代——海洋爬行動物展、航海發現之旅5個展廳。
遠古海洋展廳包括洪荒海洋——前寒武紀海洋、生命海洋——古生代海洋、龍海滄桑——中生代海洋、新生海洋——新生代海洋四個部分內容，是目前國內展品較全、面積最大的古海洋專題展廳，展覽從地球的形成引出海洋是怎樣形成的思考，通過對海洋的認知，認識到生命最早起源於海洋，引申出對生命形成的探索，通過地質年代表揭示地質年代與生命進化的關係，最後說明地球海洋的變化一刻也不會停止，現代海洋世界等待觀眾去探索和發現。
今日海洋展廳包括本底海洋、生命海洋、海洋環境與可持續發展3大部分，共展出標本5000餘件，整個展廳將陳列許多令人嘆為觀止的精美標本，有長達9. 4米的鯨鯊，7-8米的白鯨等，極其罕見的懷孕雙髻鯊塑化標本，海底滑翔機——蝠鱝、大王烏賊以及300餘種五彩斑斕的魚類，100多種海生鳥類，還有目前世界上最完整的一套中國海域無脊椎動物標本，其品類多達4600餘種，展覽面積超過30平方米。
大海星辰展廳包括星漢燦爛、日月之行、遨遊太陽系、星海漫遊、星際大航海時代、超越目力6個部分。廣闊與神秘是大海和星空共同的特點，本展廳以海洋為主線，向觀眾展示人們在探索海洋過程中的天文學發現與發明。
龍的時代——海洋爬行動物展包括科學與傳說，陸地、海洋和天空，「龍」的時代三個主要展示內容，展廳面積1000平方米，展覽以海洋是生命的搖籃為主題，講述地球生命起源於海洋，自誕生那一刻起就開始努力擺脫水環境，踏上徵服陸地的旅程，富於戲劇性的是，它們歷經千辛萬苦徵服陸地後，不久便大規模地重返海洋，最終這一幕在6500萬年以前戛然而止，絕大多數海洋爬行動物和陸地上的恐龍一起滅絕了，成為這地球生命演化史上最為波瀾壯闊的一幕。
航海發現之旅展廳包括序廳、達爾文的環球考察、探秘大洋洲、冰凍荒原、非洲之旅、深入新大陸、奇境歐亞7個板塊。展覽以演化是物種形成理論為科學依據，以人類的航海大發現為故事基礎，形成一條海洋生態與陸生動物有機結合的故事線，以海洋對地理環境物種分布造成的影響為自然線索，以航海探險科學發現為人文線索，讓觀眾跟隨科學家勇敢的腳步探索各大洲，感受波瀾壯闊的航海時代，開啟一段精彩的航海發現之旅。
參觀完人文與自然幾個展區，觀眾可以繼續參觀其他特色展區，包括海洋互動展區、「穿越極地」展、海洋科普教育區、高端合作展覽——海上絲綢之路主題展覽、海洋活體展區。
海洋互動展區「歡樂海洋」主題空間劃分為熱帶海洋、溫帶海洋、極地海洋三個環境分區，以及相應的過渡區域，是由輕鬆有趣的海洋科普體驗項目與舒適靈活的休息區域共同構成的複合功能空間。三個主要分區特色鮮明又相互聯繫，特別能激發孩子們的興趣，又非常便於理解和展開想像。
「穿越極地」展將以「生命與環境、探索與發現、極地與人類」作為主題詞，力圖表現極地多姿多彩的生命，揭示極地與全球氣候變化之間的關係,弘揚科學家勇攀科學高峰的精神。整個展覽分為「極地生命」、「科考基地」、「極地生存大挑戰」「極地生命"三個主題區，主要以極地動物對環境的適應為主線,設置南北極兩個抽象化的場景,場景周圍設計若干小型互動展項展示極地生命的生存智慧,讓公眾對極地環境有大致的了解。「科考基地」以基地步入式場景體驗的形式,結合小型互動展項讓觀眾了解最新的科學研究成果,同時通過周圍大型互動展項了解和模擬科考人員的工作方式。「極地生存大挑戰」則結合教育活動,旨在讓觀眾意識到極地環境的惡劣,以及科考人員工作環境的艱苦,同時結合各種互動增加展區的互動性和趣味性。
海洋科普教育區有4個科普教室，一個三角形開放教室和一個寬大開放活動廳組成，教育區的主要服務對象是學齡兒童，主要承擔青少年海洋科普教育主題活動，注重參與性，寓教於樂，增強親海、識海、護海意識。
高端合作展覽——「海上絲綢」之路主題展覽是為了落實國家「一帶一路」倡議，構建人類命運共同體，由國家海洋博物館、中國文物報社聯合海上絲路沿線省市相關博物館共同推出的通海揚帆、東西匯流海上絲綢之路主題展覽。
海洋生態展區包括活體珊瑚生態展、活體魚類展、活體水母展三個展廳，該展廳將與專業公司進行合作展覽，採用由館方管理，專業公司飼養的方式。
作為我國唯一的國家級人文與自然為主題的綜合性海洋博物館，海博智慧博物館將實現智慧服務全空間、全流程的覆蓋，讓智慧化無處不在，互通互聯，讓海博展覽「永不落幕」。
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