לאחר איחוד ספרד תחת שלטונו של קרל החמישי, שהיה נצר לשושלת בית הבסבורג, החזיקה ספרד שני ציים. הצי הראשון, שהיה לפני האיחוד הצי של אראגון, כלל בעיקר גליאות מונעות במשוטים ונועד לפעילות בים התיכון; הצי השני, שהיה לפני האיחוד הצי הקסטיליאני, היה מורכב בעיקר מספינות מפרש, ונועד לפעול באוקיינוס האטלנטי. חלוקה זו התקיימה עד המאה ה-17, שבמהלכה דעך השימוש בגליאות. ב-1492 כבשו המלכים הקתוליים, פרננדו ואיזבלה, את ממלכת גרנדה, ובכך הושלמה הרקונקיסטה. לאחר השלמת הכיבוש התעצם כוחה הימי של ספרד בים התיכון, והממלכה השתלטה על רוב ערי החוף החשובות בחופי צפון אפריקה ממערב לקירנאיקה, ובהן מלייה (נכבשה ב-1497), מרס אל כביר (1505), אוראן (1509), אלג'יר (1510) וטריפולי (1510), שהייתה שיא ההתפשטות הספרדית באזור זה. עם זאת, העורף היבשתי של ערי החוף לא נכבש על ידי הספרדים והיה בשליטת יושביהם המוסלמים והברברים. עובדה זו, בצירוף התעצמותה הימית של האימפריה העות'מאנית הביאו למתקפת נגד מוסלמית, שסיבכה את ספרד בעשורים רבים של לחימה אינטנסיבית על השליטה במערב הים התיכון. ב-1571 לחמה ספרד נגד האימפריה העות'מאנית בקרב לפנטו בראש ברית של מדינות שנקראה הליגה הקדושה וכללה את הרפובליקה של ונציה, מדינת האפיפיור ובעלות ברית נוצריות נוספות. ניצחונה של הליגה הקדושה היה מכריע, ובלם את התפשטותה את האימפריה העותמאנית אל מערב הים התיכון.
החל מ-1570 החל אתגר נוסף לעוצמתה הימית של ספרד: המרד ההולנדי שפרץ כנגד שלטונה של ספרד יצר כוח ימי חזק של ההולנדים המורדים, שתקף אוניות ספרדיות ויצר קושי רב לקיים את הקשר הימי של ספרד עם ארצות השפלה. אחד מן הקרבות החשובים במלחמה זו היה קרב גיברלטר ב-1607, במהלכו הצליחה שייטת הולנדית להפתיע צי ספרדי שעגן בגיברלטר, ולהשמיד את רובו. למלחמה היה מימד גלובלי, וחלק מן הקרבות במהלכה התרחש בים הקריבי ובמזרח הרחוק, במיוחד סביב הפיליפינים. תגובתה של ספרד לתקיפות ההולנדיות כללה עידוד פריבטירים שפעלו משטחיה של הולנד הספרדית, ונודעו כדונקירקים, על שם הבסיס ממנו פעלו. פרייבטירים אלה ארבו לאוניות סוחר ולספינות דיג הולנדיות.
בשנות ה-80 של המאה ה-16 החלה מעורבות של אנגליה במלחמת 80 השנים, לטובת ההולנדים. מעורבות זו יצרה איום נוסף על הספנות הספרדית, איום שאותו ניסתה ספרד לפתור על ידי ניסיון לפלוש לאנגליה. ב-1588 יצא צי מלחמה גדול, שכונה הארמדה הספרדית, במטרה להשתלט על תעלת למאנש ולאפשר נחיתה באנגליה. מסעה של הארמדה הסתיים באסון ובאובדן כבד בנפש ובציוד. התבוסה הביאה להנהגת רפורמות בפעילות הצי הספרדי. עד אותה תקופה היה הצי מורכב מכמה ציים, ורוב האוניות היו למעשה אוניות סוחר חמושות, בליווי אוניות מלחמה של הכתר; אסון הארמדה הביא לארגון מחדש של הצי. גם בתחום הטקטיקה הימית היו קרבות הארמדה נקודת מפנה בתולדות הלוחמה הימית: בפעם הראשונה היו תותחי האוניות המרכיב העיקרי בקרב, ולא ניגוחה של אוניית האויב או ההשתלטות הפיזית עליה על ידי חיילים. לאור לקח זה, החלו הספרדים לצייד את אוניותיהם בתותחים ימיים שנבנו במיוחד למטרה זו.
גידולו של הצי הספרדי במהלך שנות ה-90 של המאה ה-16 איפשר גידול ניכר בסחר הבין יבשתי והגדלה רבה של יבוא מוצרי מותרות וכסף. אוניות ספרדיות הגבירו את פעילותן בתעלת למאנש, בים הצפוני ובים לכיוון אירלנד. בעשורים הראשונים של המאה ה-17 הצליחו אוניות ספרדיות ללכוד אוניות סוחר ואוניות מלחמה רבות של האויב וסיפקו ציוד ואספקה לצבאות הספרדיים שפעלו בארצות השפלה ולמורדים האיריים באירלנד. ספרד גם ספגה מהלומות במהלך המלחמה: ב-1596 הצליח כוח ימי הולנדי-אנגלי משולב לפשוט על קדיז, אך לא הצליח ללכוד את מטען הכסף שהגיע עם השיירה האחרונה. הספרדים למדו את לקחי הפשיטה ושיפרו את הגנת הנמל; ניסיונות נוספים לתקוף את קדיז בשנים הבאות נכשלו.
למרות האוצרות העצומים שזרמו לספרד, התרוששה הממלכה בשל ההוצאות העצומות של מלחמת שלושים השנים, שהתרחשה במקביל למלחמת שמונים השנה בשטחי האימפריה הרומית הקדושה. ספרד החלה לשקוע לאיטה, ובמהלך עשרות השנים שבין אמצע המאה ה-17 לסיומה התחזקו הולנד, אנגליה וצרפת על חשבונה. הצי הספרדי הלך והוזנח. סולם העדיפויות של אירופה היבשתית הותיר את הלוחמה הימית בתחתיתו, והצי הלך והידרדר. הולנד השתלטה על האנטילים הקטנים בים הקריבי, אנגליה השתלטה על ג'מייקה וצרפת תפסה את חלקו המערבי של האי היספניולה. טריטוריות אלו היו בסיס לפשיטות של שודדי ים ופריבטירים על נמלים וערים של ספרד בעולם החדש, ועל אוניות ספרדיות שהפליגו ביניהן. הספרדים ריכזו את מאמציהם בשמירה על האיים החשובים ביותר עבורם, ובהם קובה, פורטו-ריקו ורובו של האי היספניולה. ציי האוצרות, שהעבירו כסף ומותרות מאסיה ממרכז אמריקה לספרד המשיכו להפליג, אם כי היו קטנים יותר מבעבר. לאורך מאות השנים שבהן פעלו הובסו ציי האוצר רק פעמיים: שיירה אחת נלכדה על ידי שייטת הולנדית ב-1628 ואחת על ידי שייטת אנגלית ב-1656. מתקפה אנגלית נוספת על שיירת אוצר שעגנה בנמל סנטה קרוס דה טנריפה הסתיימה בהשמדת האוניות הספרדיות, אך האוצר נפרק עוד לפני כן ולא נפל בידי האנגלים.
מצבו של הצי הספרדי המשיך להידרדר; במלחמת תשע השנים, בין השנים 1688 ל-1697, החליט המשטר מבית הבסבורג כי עדיף להסתמך על ציי אנגליה והולנד, שלחמו בברית עם בית הבסבורג באותה מלחמה, מאשר להשקיע בצי הספרדי, שלהם.
תקופת בית בורבון.
קרלוס השני, מלך ספרד, היה האחרון בשושלת בית הבסבורג הספרדית. לאחר מותו, בסוף שנת 1700, פרצה מלחמת הירושה הספרדית בין ברית של מדינות שתמכה ביורש מבית הבסבורג, מן הענף האוסטרי, לבין תומכי יורש מבית בורבון, הצרפתי. מלחמת הירושה חצתה את ספרד, והביאה למלחמת אזרחים ובסופו של דבר לאבדן סיציליה, סרדיניה, מינורקה וגיברלטר. שתי האחרונות נכבשו על ידי כוחות בריטיים שלחמו תחת דגלו של הטוען לכתר ההבסבורגי, קרל השישי. מינורקה נכנעה בסופו של דבר לספרד שנים לאחר מכן. במהלך המלחמה אבדו לספרד גם נחלותיה בארצות השפלה ובאיטליה, כחלק מויתוריה במסגרת הסכמי השלום, הסכמי אוטרכט, ראשטאט ובאדן.
ספרד ניסתה להשיב לעצמה את הטריטוריות שאיבדה במלחמת הברית המרובעת (1717–1720). הצי הספרדי הוביל גייסות שפלשו לסיציליה ולסרדיניה, אך נחל תבוסה בקרב כף פסארו ב-11 באוגוסט 1718, וצבא הפלישה הספרדי הובס באיטליה על ידי האוסטרים. בעקבות המלחמה הוחל ברפורמה מקיפה שנועדה להביא לחידוש הצי ולארגונו מחדש. עוד ב-1714 הקים השלטון הבורבוני משרד ממשלתי לניהול הצבא והצי עוד ב-1714, שריכז את הפיקוד והמינהל של הציים השונים. בעקבות מלחמת הברית המרובעת בוצעה תוכנית להאחדה קפדנית במינהל הצי, בתכנון ובהפעלת האוניות ובמבצעים. כחלק מהארגון מחדש הוקם בסיס ימי בהוואנה, שנועד להוות בסיס לאוניות הצי בהגנה על המושבות הספרדיות ובמניעת הברחות ופעילות שודדי ים.
כחלק מהרפורמה, שונה תכנון האוניות הספרדיות: עד אז הושם הדגש בתכנון האוניות הספרדיות על טווח ארוך ויכולת שהייה ארוכה, במענה לצרכיה של האימפריה רחבת הידיים. הרפורמה חוללה שינוי בתכנון האוניות, והדגש הושם על היכולת הקרבית של אוניות המלחמה הספרדיות. ספרד הפכה למובילה בתחום תכנון ובניית אוניות מלחמה, שהנודעת בהן הייתה פרינססה. אונייה זו הושקה בספרד ב-1731, ונלכדה על ידי הצי המלכותי הבריטי ב-1740 ליד כף פיניסטרה במהלך מלחמת הירושה האוסטרית. יכולתה של האונייה הספרדית להילחם בשלוש אוניות בריטיות מדירוג דומה הרשימה את הבריטים: האונייה הספרדית הייתה גדולה יותר ונשאה תותחים גדולים יותר, בין שאר יתרונותיה. הבריטים למדו את תכנונה של האונייה הספרדית והטמיעו כמה מן הלקחים באוניותיהם, למשל הגדלת ממדיהן.
במהלך מלחמת הירושה הפולנית (1733–1738) עשתה ספרד מאמץ נוסף להשיב לה את הטריטוריות שאיבדה באיטליה. צרפת הייתה בעלת בריתה של ספרד במלחמה זו ואילו בריטניה והולנד נותרו נייטרליות ומצב גאופוליטי זה סייע לספרד להצליח הפעם במאמציה: במערכה ימית הצליחה ספרד לכבוש מחדש את סיציליה ואת דרום איטליה מאוסטריה. במלחמת אוזנו של ג'נקינס (1739–1748), הפגין הצי הספרדי את יכולתו לשמור על הקשר הימי בין ספרד למושבותיה באמריקה ולהעביר אספקה לצבא הספרדי באיטליה, אל מול האיום הימי הבריטי. בקרב קרטחנה דה אינדיאס, 13 במרץ - 20 במאי 1741, הצליחה שייטת ספרדית קטנה, בת שש אוניות ו-4,000 חיילים בלבד, להדוף מתקפות של צי בריטי גדול בהרבה, ובו כ-250 אוניות וכ-30,000 איש. הספרדים, בפיקודו של בלאס דה לזו, הצליחו לעמוד בפני הכוח הבריטי הגדול, עד שזה האחרון נסוג, בין היתר בזכות סופה טרופית שהקשתה על הבריטים ומחלות שונות שפקדו את כוחותיהם, ובהן קדחת צהובה. ניצחון זה האריך את שליטתם של הספרדים במושבותיהם באמריקה עד תחילת המאה ה-19.
תנופת הבינוי והחידוש של הצי הספרדי המשיכה; ב-1750 עבר הצי הספרדי בגודלו את הצי המלכותי ההולנדי והיה לצי השלישי בגודלו בעולם, אחרי הצי הצרפתי והצי המלכותי הבריטי.