En la actualidad, el importante patrimonio cultural del Real Observatorio de la Armada se estructura en tres grandes colecciones. En primer lugar, una colección bibliográfica que es fiel reflejo de los avances registrados por la astronomía y la geofísica desde el siglo XV en adelante, que se completa además con una de las mejores colecciones de cartografía náutica impresa conservadas en España. Por otro lado, un archivo científico formado por series de datos y registros de observaciones únicas en nuestro país, tanto desde el punto de vista temático como cronológico. Y por último, una colección museográfica que incluye la instrumentación científica utilizada por la institución a lo largo de la historia, un verdadero museo de historia de la astronomía y la geofísica, además de muchos otros bienes patrimoniales que han sido considerados de carácter histórico-artístico. Y todo ello en un entorno arquitectónico del siglo XVIII dedicado por la Armada al estudio de la astronomía, la hidrografía y la geofísica durante un período de más de dos siglos y medio, haciendo de la bahía de Cádiz una referencia indispensable para la historia de la ciencia española.
A finales de 2015 fue creada la Red de Museos de Defensa mediante la Orden DEF/2532/2015 de 18 de noviembre, en la que se definen los procedimientos para la gestión de los bienes muebles del Patrimonio Histórico Español adscritos al Ministerio de Defensa. Según esta disposición oficial, se entiende por colección museográfica el conjunto de bienes culturales que, sin reunir todos los requisitos necesarios para desarrollar las funciones propias de un museo, están organizadas siguiendo criterios museológicos, tienen un régimen de visitas establecido y disponen de medidas de conservación y seguridad. Como consecuencia de ello, la mencionada Orden ha reconocido, dentro de las colecciones patrimoniales de la Armada, a la Colección Museográfica del Real Observatorio de la Armada.
Esta colección, integrada tanto por la Colección de Instrumentos Antiguos como por el resto de los bienes culturales del ROA inventariados en el Sistema Documental para la Gestión del Patrimonio Histórico-Mueble(MILES), está formada en la actualidad por 1.158 fondos, reunidos tras un largo proceso de recopilación, catalogación y restauración iniciado en las últimas décadas del siglo pasado. Gracias a ello, durante la visita al Observatorio podemos contemplar unos magníficos aparatos entre los que, sin duda, podríamos destacar los instrumentos portátiles del siglo XVIII procedentes del Real Observatorio de Cádiz, los grandes telescopios astrométricos y astrofotográficos adquiridos en el siglo XIX, los instrumentos adquiridos para la observación de fenómenos astronómicos extraordinarios como los eclipses de 1900 y 1905, los péndulos de precisión utilizados para la conservación de la hora hasta mediados del siglo XX o la colección de cronómetros marinos empleados para determinar la posición geográfica en los buques de la Armada durante los siglos XIX y XX.
