Il Museo tecnico navale della Marina Militare è senz'altro il più importante dei musei navali italiani, e benché sia qui da poco più di un secolo, le sue origini sono molto più antiche. È situato accanto alla porta di accesso principale all'arsenale militare; è in questa sede a partire dal 1958, mentre prima era ubicato presso le officine meccaniche all'interno dello stabilimento militare (venne infatti inaugurato nel 1923, unitamente al Museo storico navale di Venezia).

La sua storia inizia attorno al 1570 a Villefranche-sur-Mer dove i conti di Savoia stabilirono la prima base della loro nascente Marina.

Successivamente, con il trasferimento del governo sardo-piemontese a Cagliari a seguito delle conquiste napoleoniche, venne iniziata una nuova raccolta nella città sarda.

A seguito del crollo della potenza napoleonica e col ritorno del governo sardo-piemontese in continente , la raccolta, con quello che restava del museo di Villefranche, fu trasferita a Genova, sede dal 1815 della nuova base militare della marina Sarda. Ulteriori arricchimenti avvennero con la fusione delle marine italiane a quella dello stato Sardo, tutti confluiti a Genova, dove il museo rimase per 55 anni, sino a quel 1870 che vide il trasferimento, per volere di Cavour, della base della Marina con tutti i suoi servizi, Museo Navale compreso, alla Spezia, divenuta sede del primo dipartimento militare marittimo. Durante la seconda guerra mondiale furono molte le perdite di preziosi materiali a causa dei bombardamenti, ma il museo venne ripristinato nel 1958 e collocato nelle sale che lo ospitano attualmente, accanto alla porta principale dell'arsenale.

Una sala dedicata all'evoluzione navale ospita pregevole raccolta di modelli in scala di vascelli di marine degli stati italiani rievocanti i tempi della navigazione a vela, nonché modelli di quasi tutte le principali unità italiane varate tra il 1860 e il 1910 nell'arsenale della Spezia, e quelli di navi italiane della seconda guerra mondiale. Tra i cimeli più antichi va annoverata una raccolta di polene appartenute a vascelli del XV, XVI, XVII secolo. Fra queste merita menzione la misteriosa scultura lignea femminile, detta Atalanta, che si crede possa stregare con il suo fascino inquietante chi la guardi troppo a lungo.

La sala dei mezzi d'assalto raccoglie una vasta documentazione. I primi reperti, risalenti alla guerra del '15-'18, sono i resti del Grillo (modello del Mas 15) e un prototipo dell'ordigno con il quale Rossetti e Paolucci affondarono nel porto di Pola la corazzata austriaca Viribus Unitis, il 1º novembre 1918. Sono presenti, inoltre, il prototipo della torpedo semovente di Tesei e Toschi (meglio nota come Maiale), nonché i Barchini, altri mezzi d'assalto, che testimoniano l'attività, nata alla Spezia, del "Gruppo mezzi d'assalto" durante la seconda guerra mondiale.
La sala sulle armi subacquee segue l'evoluzione del siluro, a partire dal prototipo impiegato dalla Marina nel 1875 per ai vari tipi impiegati nella prima e nella seconda guerra mondiale. L'evoluzione delle mine subacquee è testimoniata dalla presenza di esemplari originali utilizzati durante i conflitti mondiali.

La sala dedicata alle armi antiche, infine, ospita, tra le altre, due spingarde moresche del XVI secolo, un cannoncino turco del 1521, due piccole bombarde del 1784, una mitragliatrice Gatling a 10 canne dei primi del secolo, originariamente utilizzata dai Boxer. Sono inoltre esposte due teche di armi portatili impiegate nella guerra italo-turca e nella prima guerra mondiale.

Di particolare interesse, infine, è la documentazione fotografica sui primi esperimenti di Guglielmo Marconi con le stazioni riceventi mobili alla fine dell'Ottocento.

Nel giardino interno del Museo navale c'è un monumento in bronzo di Costanzo Ciano, opera dello scultore Francesco Messina.