Пионерами плавания по Северному Ледовитому океану были отважные русские поморы. На небольших парусных судах — кочах они плавали к Шпицбергену и Новой Земле, постепенно продвигались на восток вдоль северных берегов Евразии, приближая открытие Северного морского пути из Атлантического океана в Тихий. Служилый человек Семен Дежнев в 1648 г. впервые прошел через пролив между Евразией и Северной Америкой, доказав, что это два обособленных континента.
В экспозиции отдела можно познакомиться с фрагментом наружной обшивки и частью форштевня древнего коча, реконструированной одеждой полярного морехода
XVI-XVII веков и другими реликвиями первопроходцев северных морей.
Диорама «Мангазея» рассказывает об одном из самых крупных торгово-ремесленных и промысловых центров на крайнем северо-востоке средневековой Руси. Морские походы в Мангазею занимают видное место в истории русской арктической культуры XVI- XVII в.
Огромный вклад в изучение Арктики и развитие арктического мореплавания внесли представленные в отделе Великая Северная Экспедиция под руководством В. Беринга (1733-1745 гг.), первая русская морская высокоширотная экспедиция под командованием капитана 1-го ранга 
В. Чичагова (1766-1767 гг.),экспедиции на Новую Землю (1821-1824 гг) и северо-восток Азии (1820-1824 гг.) под руководством Ф. Литке и Ф. Врангеля, шведско-русская экспедиция на судне «Вега», возглавляемая А. Норденшельдом (1878-1879 гг.), русская полярная экспедиция на шхуне «Заря» под руководством Э. Толля (1900-1902 гг.), Гидрографическая экспедиция Северного Ледовитого океана на судах «Таймыр» и «Вайгач» под командованием полковника И. Сергеева и капитана 2-го ранга Б. Вилькицкого (1910-1915 гг.), экспедиции под руководством Г. Седова, В. Русанова, Г. Брусилова (1911 — 1914 гг.).
Особое место в экспозиции отдела занимает штурвал первого в мире арктического ледокола «Ермак», созданного в 1899 г. по чертежам вице-адмирала С. О. Макарова, нактоус (магнитный судовой компас) и буквы надписи названия знаменитого корабля.
Организация в 20 — 30-е гг Карских товарообменных
экспедиций., исследования, проводившиеся Северной научно-промысловой экспедицией и Плавучим морским институтом положили начало комплексному изучению и освоению Арктики. В 1932 г. ледокольный пароход «А. Сибиряков» впервые прошел Северным морским путем за одну навигацию, показав тем самым возможность его коммерческой эксплуатации.
Значительное место в экспозиции отведено «Челюскинской эпопее» 1933-34 гг. Полярные летчики, принявшие участие в спасении челюскинцев со льдов Чукотского моря стали первыми Героями Советского Союза. Первым экспонатом музея является настоящий самолет-амфибия «Ш-2» конструкции инженера В. Б. Шаврова, построенный в 1931 г. в Ленинграде и использовавшийся для ведения ледовой разведки в Арктике в 30 — 60-е гг. В 1937 г. первая воздушная высокоширотная экспедиция, возглавляемая О. Шмидтом, доставила на льдину в район Северного полюса группу исследователей под руководством И. Папанина.
Палатка первой дрейфующей научной станции «Северный полюс» занимает одно из центральных мест в экспозиции музея.
Большой интерес представляют экспонаты, относящиеся к первому в истории авиации трансарктическому перелету Москва — Северный полюс — Сиэтл на самолете АНТ-25, пилотируемом В. Чкаловым, Г. Байдуковым и А. Беляковым и высокоширотному дрейфу ледокольного парохода «Г. Седов» (1938-1940 гг.). Комплексное исследование Северного Ледовитого океана и его морей- одна из главнейших задач ученых — полярников.
Труды папанинцев положили начало проведению научных работ в океане с дрейфующего льда. С 1950 г. на льдах Арктики ежегодно работали научные станции «Северный полюс», с 1948 г. проводились воздушные высокоширотные экспедиции «Север».
В экспозиции отдела представлены подлинные предметы дрейфующих станций — одежда, бытовые вещи полярников, научные приборы. Показано внутреннее убранство деревянного 
передвижного разборного домика дрейфующей станции «Северный полюс-3».
Специфика арктических исследований потребовала создания специальной аппаратуры. Экспозиция знакомит с подлинными приборами, которые были разработаны отечественными учеными: электрический самописец течений, дистанционная метеостанция, фототермограф с годовой автономностью и возможностью функционирования в морях, покрытых льдом в течение большой части года. Для арктических исследований, создана автоматическая радиометеостанция, которая устанавливалась на льду в Северном Ледовитом океане и в течении года передавала по радиоканалу метеоинформацию. В экспозиции отдела можно увидеть макет дрейфующей автоматической радиометеостанции в 1:10 натуральной величины. Большая карта-схема наглядно иллюстрирует работу Северного морского пути — важнейшей транспортной магистрали России и роль ледокольного флота в современных арктических перевозках.
В музее хранится богатый документальный материал по арктическому мореплаванию, 
личные фонды полярных капитанов: В.И. Воронина, Н.М. Николаева, Н.И. Храмцова, К.П. Эгге, первого капитана первого в мире атомного ледокола «Ленин» П. А. Пономарева. Привлекают внимание модели первого в мире атомного ледокола «Ленин», созданного рабочими Адмиралтейского завода в Ленинграде в 1959 г и атомного ледокола «Арктика» из серии самых мощных в мире атомных ледоколов, в 1977 г впервые в истории совершившего плавание к точке географического Северного полюса.
Плавание по трассе Северного морского пути обеспечивается сегодня десятками полярных гидрометеорологических станций, специальной ледовой воздушная разведкой и искусственными спутниками Земли.
Завершает экспозицию отдела действующий макет «Полярное сияние», дающий посетителям музея представление об этом удивительном природном явлении.