Il Museo di Biologia marina "Pietro Parenzan" è stato fondato nel 1966 da Pietro Parenzan e a lui intitolato successivamente. Le collezioni, originariamente costituite da reperti raccolti dal fondatore e dai suoi collaboratori, sono state inizialmente incrementate dalle donazioni del professor Kuiper (Institut Neèrlandais di Parigi) e del dottor Torchio (Direttore dell'Istituto di Idrobiologia di Milano). In totale la collezione del museo comprende oltre 900 reperti riconducibili a 690 taxa.
L'esposizione di vertebrati (pesci, tartarughe, uccelli e mammiferi) e invertebrati (spugne, madrepore e coralli, vermi, crostacei e molluschi) rappresenta efficacemente l’elevata biodiversità della fauna marina mediterranea in generale e dei mari salentini in particolare.
Reperti di particolare interesse sono:

• un carapace di grandi dimensioni di tartaruga "Caretta caretta", ed un esemplare più piccolo della stessa specie;
• la foca monaca "Monachus albiventer"
• la tartaruga "Dermochelis coriacea", simbolo del Museo e della rivista Thalassia salentina;
• vertebre caudali di capodoglio;
• "Ranzania laevis", pesce luna troncato, non comune nei mari mediterranei;
• un esemplare di tursiope;
• un interessante esemplare abortivo di squalo bicefalo.

Le diverse strategie espositive, dalla immersione in liquido fissativo alla moderna realizzazione di modelli in resina, rendono testimonianza dell'attività del Museo durante gli oltre sei decenni della sua esistenza. Sebbene la raccolta di esemplari continui di pari passo con le ricerche condotte dai ricercatori di Zoologia del DiSTeBA, i modelli (in resina o realizzati con stampante 3D) hanno conquistato maggior spazio: possono infatti essere esposti liberamente e, al contempo, rappresentano in maniera più vivida e realistica i colori (danneggiati dai liquidi fissativi).

Il Museo svolge un'intensa attività di educazione ambientale rivolta soprattutto alle scuole di ogni ordine e grado ed ai turisti, numerosi durante la stagione estiva. Si avvale, per questo, di reperti, modelli e pannelli didattici completamente rinnovati, ora affiancati dalla sala di realtà virtuale "MARVI" (inaugurata nel Dicembre 2024), che offre la possibilità di "immergersi" virtualmente nelle profondità marine e di ammirare ambienti sommersi quali fondi mobili, praterie a Posidonia oceanica e coralligeno, caratteristici dei mari salentini.

Altre due sale tematiche concorrono ad ampliare l'offerta del Museo. La "Sala dello Squalo Elefante" accoglie un esemplare di Cetorhinus maximus (Squalo elefante, appunto), accidentalmente pescato nei mari antistanti Porto Cesareo nel 2003: una giovane femmina di quasi 7m di lunghezza, sospesa fra le onde, in una sala interamente dipinta del blu, a ricordare le profondità marine. Ricca di pannelli che illustrano la biologia e la fisiologia degli squali, ha lo scopo di informare e sensibilizzare sul tema della vulnerabilità di questi meravigliosi animali e della loro salvaguardia.

La "Sala della Pesca" è stata co-progettata con i pescatori del luogo e concepita come un avvicinamento della realtà museale alla realtà locale, mediante l'esposizione di modelli in resina delle specie di pesci maggiormente pescate a Porto Cesareo, accompagnati da schede didattiche che ne illustrano caratteristiche morfologiche ed abitudini di vitae. L’intento è valorizzare il mestiere della pesca con metodi tradizionali e rivalutare le antiche tradizioni locali, anche attraverso la pubblicazione di antiche ricette relative alla cucina del pesce in loco. Ricche collezioni, esposte nella sala principale o custodite nei laboratori del Museo e del Laboratorio di Zoologia e Biologia Marina del DiSTeBA, completano il patrimonio del Museo: l'Algario "Irma Pierpaoli", la collezione di reperti malacologici mediterranei del fondatore Pietro Parenzan (1260 specie e varietà diverse), la collezione di anellidi policheti di Adriana Giangrande e quella di molluschi eterobranchi di Giulia Furfaro.

L'Algario "Irma Pierpaoli" comprende oltre 700 reperti di macroalghe raccolte dall'Adriatico centrale e dai mari di Taranto tra il 1909 ed il 1965, poi arricchito da Parenzan con esemplari del basso Adriatico e dello Ionio. Sono presenti 219 specie suddivise tra Alghe rosse (122), Alghe brune (53) ed Alghe verdi (44). L'algario costituisce un reale patrimonio per gli studi floristici ed è stato segnalato per l'inserimento nell'Index Herbariorum del New York Botanical Garden.

La Collezione Malacologica Ecologica costituita dal Prof. Parenzan contava 1556 specie e varietà di molluschi marini, rappresentate da migliaia di esemplari che permisero di acquisire informazioni relative alla quasi totalità della fauna malacologica del Mar Mediterraneo, poi pubblicate nella "Carta d'identità delle conchiglie del Mediterraneo". Un vero e proprio archivio della fauna malacologica mediterranea (ed in seguito mondiale), per cui i cataloghi storici dattiloscritti descrivono una collezione composta da 6438 lotti di materiale. Tutti i documenti storici inediti sono stati di recente convertiti in documenti elettronici ed i dati presenti nei cataloghi originali sono stati integralmente trascritti e riordinati in un unico registro. 2928 lotti della Collezione, per i quali è stata anche aggiornata la conservazione secondo tecniche attuali, costituiscono ora la "Collezione Rappresentativa" di quella storica ed il catalogo unico informatico comprende ora 6794 lotti di specie.

La collezione di anellidi policheti comprende 531 taxa appartenenti a specie che provengono per la maggior parte dalle coste italiane ed è relativa a raccolte effettuate nell'ambito di lavori svolti nel DiSTeBA (Laboratorio di Zoologia) dal team della Prof.ssa Adriana Giangrande. La collezione comprende i paratipi di numerosi taxa nuovi per la scienza che sono stati descritti negli ultimi 30 anni (29 specie e 3 generi).

La collezione di molluschi eterobranchi della Dr.ssa Giulia Furfaro, recentemente acquisita, include esemplari prevalentemente mediterranei appartenenti ai principali ordini dei molluschi marini eterobranchi, tra cui quello dei nudibranchi è il più rappresentato.