В коллекции музея собраны живописные работы преимущественно советских художников, а также некоторых зарубежных авторов, значительное место в творчестве которых занимает морская тематика.

В Музее представлены уникальные полотна, которые были заказаны Московскому художественно-производственному комбинату специально для экспозиции музея «Морской флот СССР», а также авторские работы, позволяющие проследить основные этапы становления и развития отечественного торгового флота, историю географических открытий и исследований на море, представить важнейшие морские сражения с участием кораблей нашей великой державы.

Представлены в Музее и картины художников-маринистов (Ф.Г. Ангелина, М.А. Афанасьева, М.А. Бирштейна, Н.А. Борисова, Е.И. Востокова, К.А. Вялова, А.Л. Гландина, А.Я. Кольцова, И.П. Рубана, И.П. Рубинского, А.М. Руднева, Б.Я. Ряузова, Л.А. Постнова, В.П. Преображенского, И.В. Примаченко, М.И. Сидорова, В.Ф. Строева, С.Л. Фролова и других), иллюстрирующие исторический путь становления морского флота. Всех живописцев объединяет наличие высшего профессионального образования, большинство из них учились у известных художников и педагогов, таких как С.В. Герасимов, И.Э. Грабарь, А.В. Лентулов, В.В. Кандинский, В.Е. Татлин, И.И. Бродский, В.Н. Бакшеев. Практически все перечисленные мастера являются заслуженными художниками РСФСР и входят в состав Союза художников России. Имя одного из них, Б.Я. Ряузова, включено в Международный художественный рейтинг (всемирный рейтинг художников XVIII–XXI веков, формирующих мировое художественное наследие).

Особое место в собрании музея занимают картины кисти полярного художника И.П. Рубана, создавшего значительную художественную летопись освоения русскими Арктики и Антарктики («Ледокол «Ленин» в Арктике», «Дизель-электроход «Обь» у ледового барьера в Антарктиде», «Полюс взят. Ледокол «Арктика» на Северном полюсе» и др.). Половину своей жизни мастер посвятил теме изучения полярных земель, став за это время «кадровым» полярником. Побережья, архипелаги и острова Ледовитого океана, Великий Северный морской путь, шесть научных дрейфующих станций «Северный Полюс», вторая континентальная антарктическая экспедиция – вот далеко не полный перечень мест, где работал художник, собирая материалы для своих полотен и книг.

Большую ценность имеет икона Николая Чудотворца, датируемая приблизительно последней четвертью XIX века. По сохранившимся сведениям, она принадлежала бортовому врачу ледокола «Ермак», принимавшему участие во второй арктической экспедиции под руководством С.О. Макарова.