La colección de instrumentos científicos del Museo Naval es una de las colecciones sobre astronomía y navegación más notables del mundo. Este importante conjunto de instrumentos permite conocer la evolución tecnológica que han sufrido los instrumentos empleados en la determinación de la situación y rumbo de un buque desde el siglo XV hasta la actualidad. Dicha evolución permitió a España llevar a cabo numerosas empresas científicas, descubrimientos de nuevos territorios, así como mantenerse entre los países pioneros en la conocida como navegación astronómica.

La colección incluye más de 660 piezas como compases, astrolabios, sextantes o cronómetros de marina. Una de las piezas más valiosas de esta sección es el estuche instrumental de Tobías Wolckhmer, un conjunto náutico y topográfico, además de una exquisita obra de orfebrería en bronce, que fue posiblemente fabricada para Felipe II en 1596. También destaca una madre de astrolabio de origen europeo del siglo XVI, el cuadrante acimutal y de alturas utilizado por Jorge Juan y Ulloa en la expedición geodésica o del meridiano, un astrolabio planisférico de origen persa del siglo XVII, así como telescopios, metros, ampolletas, brújulas, etc.