La colección de construcción naval de marina militar es uno de los conjuntos más representativos del Museo Naval. Está formada por maquetas de arsenales, modelos de máquinas y motores, herramientas, pertrechos marineros y, sobre todo, modelos de buques al servicio de la Marina, desde el siglo XVI hasta la actualidad. Una buena parte de esta colección se debe a la Real Orden promulgada en 1853 por la que se estableció la obligación de remitir al Museo Naval un modelo de todo buque que se construyese para la Armada.

Entre sus más de 600 fondos destacan los modelos de arsenal o construcción. Estos modelos se elaboraban al mismo tiempo que los planos, y reproducen con exactitud y a escala reducida los detalles de construcción de un navío real para que la Junta de constructores pudiese evaluarlo. A través de estos modelos podemos conocer la evolución de los sistemas de construcción naval en España a lo largo del siglo XVIII –Gaztañeta, Jorge Juan, Gautier, Romero y Landa y Martín de Retamosa–, y saber cómo eran buques tan célebres como el "Real Carlos", dedicado a Carlos III, o el "Real Borbón", mandado hacer por Fernando VII.

En el siglo XIX los modelos de astilleros desaparecen y son sustituidos por los modelos de compañías constructoras, en los que los cascos comienzan a hacerse de madera maciza en vez de cuadernas, y más adelante metal, cartón o plástico. Corresponde a esta tipología el modelo del proyecto original de la fragata blindada "Numancia".

Entre los modelos históricos destacan también los modelos de instrucción o enseñanza, usados para enseñar a los futuros marinos la nomenclatura de las distintas partes del buque, la distribución del espacio para su mejor aprovechamiento o el manejo de la maniobra. Destaca el medio modelo de un navío de 68 cañones, construido en 1782, para la instrucción de los alumnos de la Academia de Pilotos de la Armada del Departamento de Cartagena.

Una de las secciones más amplias de esta colección son las reconstrucciones históricas, recreaciones de antiguas embarcaciones en base a trabajos de investigación previos a partir de tratados de construcción, descripciones escritas, planos, grabados, pinturas o restos procedentes de la arqueología subacuática. El Museo Naval expone una magnífica reconstrucción histórica Modelo de galeón "Nuestra Señora de la Concepción y de las Ánimas" (1687-1705), realizado en base a un manuscrito de 1688 en el que se describe con detalle la fabricación de este galeón. Sus más de 20.000 piezas permiten hoy apreciar la apariencia exterior de un galeón del siglo XVII, así como examinar sus elementos estructurales e instalaciones interiores.

Los modelos de prisioneros son llamados así por haber sido construidos por oficiales y marineros franceses prisioneros en cárceles y pontones ingleses durante las guerras napoleónicas. Estos modelos estaban fabricados con los escasos materiales que podían conseguir los prisioneros: maderas, huesos, cabellos, crines de caballos o hilos de restos de indumentaria.

Las necesidades económicas y los largos periodos de reclusión fueron el germen de este tipo de modelos, que llegaron a alcanzar un alto grado de perfección. La afición por coleccionar este tipo de objetos fue tan grande, que los buenos modelos alcanzaban precios muy elevados, lo que hizo que sus autores, una vez liberados, siguiesen fabricándolos, aunque introduciendo materiales más nobles como el marfil.