13 (24) января 1709 г. в письме Петра I впервые упоминается Модель-камера, как хранилище кораблестроительных моделей и чертежей. Модель-камера располагалась в Главном Адмиралтействе, где строились корабли Балтийского флота.
В 1805 г. на основе коллекции модель-камеры был создан «Морской музеум».
В 1908 г., в год 200-летия музея, ему было присвоено имя основателя — Петра Великого.
В 1924 г., сменив ряд наименований, музей стал именоваться Центральным военно-морским музеем.
В августе 1939 г. музей разместился в здании Биржи на Стрелке Васильевского острова.
В феврале 1941 г. в новых залах открылась экспозиция, но через четыре месяца началась Великая Отечественная война. Наиболее ценные экспонаты были эвакуированы в Ульяновск. В июле 1946 г. вернувшийся из эвакуации музей вновь открыл свои двери для посетителей.
В 1975 г. указом Президиума Верховного Совета СССР Центральный военно-морской музей был награжден орденом Красной Звезды.
В апреле 2013 г. завершен перевод коллекции ЦВММ в отреставрированный комплекс Крюковских (Морских) казарм. Начали работать выставочный комплекс из шести залов, экспозиция в атриуме и первая очередь основной экспозиции.
27 июля 2014 г. ко Дню Военно-Морского Флота полностью открыта для посещения экспозиция в составе 19 залов.
11 сентября 2019 г. Распоряжением Правительства Российской Федерации № 2028-р от Центральному военно-морскому музею было возвращено историческое наименование «Центральный военно-морской музей имени императора Петра Великого».
В 1956 г. открывается филиал на крейсере «Аврора».
В 1972 г. в поселке Осиновец на берегу Ладожского озера открыт филиал «Дорога жизни».
В 1980 г. в здании Кронштадтского Морского собора начал работу филиал «Кронштадтская крепость».
В 1994 г открылся филиал на одной из первых подводных лодок советской постройки — Д-2 «Народоволец».
В 2012 г. - добавились Музей Балтийского флота (г. Балтийск) и Корабль боевой славы «Михаил Кутузов» (г. Новороссийск).
В 2020 г. в состав ЦВММ вошел новый филиал - Музей Черноморского флота (г.Севастополь).
