La colección de cartografía expuesta en el Museo Naval es un conjunto amplio que contiene tanto portulanos y cartas universales del siglo XVI y piezas de algunas comisiones hidrográficas emprendidas durante el siglo XVIII y XIX como una colección de 10 globos, entre celestes y terrestres, y una valioso fondo de mapas facsímiles, y atlas.

Entre los fondos de cartografía histórica del Museo Naval se encuentra la famosa carta universal de Juan de la Cosa, realizada en 1500, cuya importancia estriba en ser la primera representación cartográfica de América. Otras piezas destacadas de la colección son el portulano del Mediterráneo de Mateo Prunes de 1563, el portulano de Joan Martines de 1565, así como el atlas de Diego Homen de c.a 1559.

Se exponen unas 50 cartas originales que pertenecen a comisiones científicas realizadas por la Armada española a sus antiguas posesiones en América, África y Filipinas durante los siglo XVIII y XIX . La colección se completa con unas 240 cartas y mapas facsímiles de extraordinaria calidad.

La colección de cartografía cuenta con diez globos y tres esferas armilares. Entre ellos, destaca la pareja de globos de Coronelli, uno terráqueo y otro celeste, de 1688 y 1693 respectivamente, así como los de Seutter, Fremin y Delamarche, célebres constructores de globos de los siglos XVIII y XIX. Igualmente reseñable es un curioso globo terrestre de faltriquera, obra de J.W. Cary, miembro de la prestigiosa dinastía Cary, conocida por la elaboración de mapas e instrumentos náuticos a lo largo de los siglos XVIII y XIX. Las esferas armilares corresponden a los siglos XVII y XIX y representan los sistemas geocéntrico y heliocéntrico.

La colección de atlas fue una de las primeras en formarse, a partir de los ejemplares remitidos a España, entre 1789 y 1792, desde Inglaterra, Francia y Holanda, por el capitán de fragata José Mendoza y Ríos, siguiendo la orden del Ministro de Marina, Antonio Valdés, para formar una biblioteca científica de Marina en Cádiz. La colección fue incrementándose con nuevos atlas procedentes de donaciones y adquisiciones ocasionales. Entre otros muchos, destacan las ediciones de finales de siglo XVI del Theatrum Orbis Terrarum de Ortelius, el Civitates Orbis Terrarum de Braun o el Het Thresor del Zeevaert, de Waghenaer. En dichos atlas están contenidas buena parte de las cartas del periodo que va desde 1780 hasta finales del siglo XIX. En su interior hay cartas de expediciones científicas de finales del siglo XVIII y de comisiones hidrográficas del siglo XIX.