ฝ่ายพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล มีหน้าที่ความรับผิดชอบในการจัดแสดงเพื่อเผยแพร่ความรู้ด้านวิทยาศาสตร์ทางทะเลสู่สาธารณชน โดยการจัดแสดงจะอยู่ในส่วนของพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเลบริเวณชั้นสองของอาคารสถาบันวิทยาศาสตร์ทางทะเลในรูปแบบของพิพิธภัณฑ์ความรู้และตัวอย่างสิ่งมีชีวิตในทะเล รวมทั้งการไปจัดแสดงนิทรรศการนอกสถานที่ ให้กับหน่วยงานที่ติดต่อมาในรูปแบบของการจัดแสดงเน้นให้ผู้ชมเข้าใจง่าย อีกทั้งการพัฒนาเทคโนโลยีทางด้านสื่อมาช่วยปรับปรุงการจัดแสดงอย่างต่อเนื่อง การดำเนินงานได้รับการสนับสนุนกิจกรรมจากหน่วยงานความหลากหลายทางขีวภาพฝ่ายวิจัยวิทยาศาสตร์ทางทะเล ฝ่ายพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล มีการแบ่งการบริหารออกเป็น 4 งาน ดังนี้

1. งานจัดสร้างและบำรุงพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล รับผิดชอบในส่วนของพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล เช่น หาข้อมูล หาตัวอย่างตกแต่งและบำรุงรักษาตัวอย่างและส่วนต่างๆ ของพิพิธภัณฑ์ ตลอดจนการค้นคว้าหาวิธีการหรือเทคนิคใหม่ๆ มาปรับปรุงการจัดแสดงในพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล
2. งานพิพิธภัณฑ์อ้างอิงและธรรมชาติวิทยา มีหน้าที่รับผิดชอบร่วมกับงานวิจัยความหลากหลายทางชีวภาพทางทะเลในการรวบรวมตัวอย่างสิ่งมีชีวิตทางทะเล และนำไปจัดทำเป็นฐานข้อมูลทรัพยากรสิ่งมีชีวิตทางทะเลให้เป็นหมวดหมู่ เพื่อใช้ในการอ้างอิงด้านอนุกรมวิธานและการนำไปจัดแสดงในพิพิธภัณฑ์ฯ หรือนิทรรศการของสถาบันฯ ดูแล รักษาและจัดเก็บตัวอย่าง ออกสำรวจและเก็บตัวอย่าง และให้บริการข้อมูลทางวิชาการด้านทรัพยากรสิ่งมีชีวิตทางทะเล
3. งานนิทรรศการ มีหน้าที่รับผิดชอบในการจัดทำและจัดแสดงนิทรรศการเกี่ยวกับวิทยาศาสตร์ทางทะเล ในรูปแบบต่างๆ เช่น นิทรรศการถาวร และนิทรรศการชั่วคราวในพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเลของสถาบันฯ ตลอดจนการจัดนิทรรศการนอกสถานที่ เพื่อเผยแพร่ความรู้แก่ประชาชนทั่วไป
4. งานศิลปกรรม มีหน้าที่รับผิดชอบในงานศิลปะต่างๆ ในการจัดแสดงในส่วนพิพิธภัณฑ์วิทยาศาสตร์ทางทะเล เช่น สตั๊ฟฟ์สัตว์ ทำตัวอย่างเทียมหรือโมเดล การออกแบบการจัดแสดง การวาดภาพสิ่งมีชีวิตเพื่อประกอบกิจกรรมในงานพิพิธภัณฑ์อ้างอิง งานซ่อมบำรุงรักษาตัวอย่างที่ใช้ในการจัดแสดงต่างๆ และ งานกราฟฟิกคอมพิวเตอร์ เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีภาระหน้าที่ในงานด้านศิลปะต่างๆ ของสถาบันฯ หรือหน่วยงาน ที่ขอความร่วมมือ เช่น การออกแบบโปสเตอร์ประชาสัมพันธ์ งานเขียนแบบตัวอาคาร การวาดภาพในงานวิจัย ตกแต่งส่วนต่างๆ ของสถาบันฯ เป็นต้น