Trong khuôn viên Bảo tàng, khu vực trưng bày các mẫu vật rộng 250m2, phần lớn diện tích trưng bày những hình ảnh về cá voi. Đối với ngư dân Việt, những câu chuyện về cá voi đã trở thành huyền thoại, đến mức cá voi còn được gọi tên là cá Ông (ông Nam Hải). Tại khu vực này, ấn tượng đầu tiên của du khách chính là bộ xương cá voi lưng gù khổng lồ với chiều dài 19m và nặng gần 1 tấn. Trong quá trình đào mương làm thủy lợi, ngày 5/13/1994, người dân xã Hải Hậu, tỉnh Nam Hà đã phát hiện bộ xương cá voi nằm ở dưới lớp đất sâu 1,2m. Địa điểm phát hiện cách biển 4km theo đường chim bay. Việc di chuyển bộ xương cá voi và khôi phục toàn vẹn mẫu vật để trưng bày như hiện nay là quá trình công phu của các cán bộ Viện Hải dương học Nha Trang. Tại Bảo tàng còn có bộ xương bò biển Dugong. Dugong bị chết ngày 22/1/1997 tại Lò Vôi, vườn Quốc gia Côn Đảo, Vũng Tàu và được nơi đây tặng lại cho Viện Hải dương học Nha Trang vào tháng 11/1997. Bộ xương dài 273cm và nặng gần 300km.

Ngoài bộ xương cá voi nói trên, Bảo tàng Hải dương học còn trưng bày nhiều hình ảnh giới thiệu về những bộ xương cá voi khác. Đó là bộ xương cá voi chết năm 1995 tại đảo Thổ Chu của Bảo tàng Quảng Ninh, hiện đã được phục chế, bộ xương cá voi chết và dạt vào huyện Tiền Hải tháng 5/1995 của Bảo tàng tỉnh Thái Bình. Bộ xương dài 13,5m, gồm 13 đôi xương sườn. Ở Bảo tàng biển Đồ Sơn - Hải Phòng còn có bộ xương cá voi Bắc Cực dài 15m. Một bộ xương cá voi khác thuộc loại “tên tuổi” hiện đang được lưu giữ tại Vạn Thủy Tú (Phan Thiết) có chiều dài 20m, được phát hiện từ năm 1850, thuộc loại cá voi vây.

Bên cạnh việc giới thiệu các bộ xương cá voi đang được lưu giữ tại nhiều nơi trên đất nước, khu trưng bày còn sử dụng máy chiếu để giới thiệu về đời sống của các loài cá voi trên thế giới. Như con cá voi lưng gù đang là loài quý hiếm, hiện chỉ còn 2.500 con. Cá voi lưng gù là loài cá voi răng lược có kích thước đạt đến 19m, con mới sinh có thể nặng 1,4 tấn. Chúng có thể di chuyển một hành trình dài 8.000 km. Cá voi đầu bò phương Bắc cũng nằm trong “sách đỏ”. Chúng có chiều dài 18 - 20m, nặng từ 30 - 80 tấn và hiện cũng chỉ còn chưa tới 300 con trên toàn thế giới.

Khu trưng bày còn giới thiệu nhiều loài cá voi khác như: cá voi Đê Ni, thường sống tập trung ở vịnh California, cá voi vây, cá nhà táng, cá voi đầu bò phương Nam, cá voi nhỏ… Hấp dẫn nhất chính là hình ảnh giới thiệu về con bò biển huyền thoại, được coi là Mỹ nhân ngư trong các câu chuyện thần thoại của người Hy Lạp. Bò biển khi hú lên giữa đại dương giống như tiếng hát của người phụ nữ.

Khu trưng bày cá voi tại Bảo tàng Viện Hải dương học Nha Trang ngoài việc cho người xem một cái nhìn khá tổng quát về loại cá khổng lồ của đại dương còn giúp nâng cao ý thức bảo vệ loài sinh vật biển đang có nguy cơ diệt chủng này.