Музей обладает одной из богатейших в мире коллекций моделей кораблей, не уступая британскому Национальному морскому музею в Гринвиче. В модельной коллекции ЦВММ достаточно полно представлена история российского военного кораблестроения. Несомненными жемчужинами коллекции являются ботик Петра I и модели кораблей в масштабе 1:12. В фондах музея представлены модели кораблей неосуществленных проектов. Уникальность таких моделей в том, что корабли, которые они изображают, никогда не были построены и эти модели ныне являются одним из самых информационных источников, рассказывающих о неосуществленных замыслах кораблестроителей.
Это, например, проектная модель эскадренного броненосца конструкции Э. Е. Гуляева. В этом проекте впервые в мире детально проработана конструктивная защита корабля от подводных взрывов. Модельная коллекция музея продолжает пополняться и сейчас. В фонде хранится множество редких мореходных инструментов и предметов морской практики, закладные доски кораблей, изготовленные не из драгоценных металлов.
