研究所设有多个重点实验室和联合实验室，包括5个中国科学院重点实验室，如中国科学院海洋地质与环境重点实验室、中国科学院海洋环流与波动重点实验室等。这些实验室涵盖了海洋科学的多个方面，如地质、环境、生态、生物工程等。此外，还有多个联合实验室，如中美联合海洋生态动力学开放实验室、中日海洋腐蚀环境共同研究中心等，这些实验室与国际上的顶尖研究机构合作，共同推动海洋科学研究的发展。研究所还拥有海洋生物分类与系统演化实验室、胶州湾海洋生物系统国家野外科学观察研究站等设施，这些设施为海洋生物的研究提供了坚实的基础。中国科学院海洋生物工程技术研究发展中心则专注于海洋生物技术的研发，为海洋生物的可持续利用提供了技术支持。