沖縄本土復帰記念事業として1975年（昭和50年）に本部町で開催された沖縄国際海洋博覧会において、海洋生物園が出展された。その後、博覧会跡地に国営沖縄海洋博覧会記念公園を整備するにあたり、博覧会施設を受け継いで1979年（昭和54年）8月に開館した。開館当時、水量1,100トンの水槽は世界最大であった。バブル崩壊後の1991年（平成3年）頃から入館者数が減少し始めたことに加え、短期間の博覧会用に建設した施設のため老朽化が著しくなってきたことから、内閣府沖縄総合事務局が主体となって新館を建設し、旧来の水族館を2002年（平成14年）8月31日に閉館、沖縄本土復帰30周年に合わせて同年11月1日に新館を開館させた。同時に現名称に改称された。管理運営は沖縄美ら島財団（旧名:海洋博覧会記念公園管理財団）が行っている。旧館閉館前の1年間の入館者数は43万人強であったが、新館開館後の1年間のそれは275万人に激増した。当時は、2001年（平成13年）9月11日に発生したアメリカ同時多発テロ事件により、在日米軍基地が多い沖縄県が旅行先として敬遠されて観光客数が激減した後、2002年（平成14年）11月に中国で発生したSARSにより、今度は日本国外への旅行客が沖縄へ旅行先を振り替えたという観光客の傾向があり、また、ドラマ『ちゅらさん』に代表される沖縄ブームもあった。2005年度（平成17年度）の入館者数は242万5176人で、以降おおむね横ばいであり2012年度は281万1480人であった。通算来館者は2006年11月12日には1,000万人、2010年3月30日には2,000万人に達したと発表している。
（旧）水族館本体は新水族館開館に伴い、また、イルカスタジオ、海の保育園および（旧）水族館アーケード部は、コンクリートの劣化等により、2007年（平成19年）1月末から使用を休止し、すべて撤去されている。
メキシコ合衆国大統領から贈られたマナティーが飼育・展示されている。1978年（昭和53年）に贈られたオスの「ユカタン」、1997年（平成9年）に贈られたメスの「マヤ」、オスの「琉」の3頭の他、マナティー館で生まれたメスの「ユマ」（ユカタンとマヤの子）がいる（2010年現在）。
無料施設で、バンドウイルカ、ミナミバンドウイルカ、オキゴンドウ、カマイルカ、シワハイルカのショーや飼育を見学することができる。2005年（平成17年）に病気で尾びれの大半を失ったバンドウイルカの「フジ」が人工の尾びれを付けショーに復活したことが話題となったほか、岩貞るみこによって『もういちど宙へ』のタイトルで書籍化され、2007年（平成19年）にこれを原作として映画『ドルフィンブルー フジ、もういちど宙へ』が製作されたほか、2007年（平成19年）4月時点では水族館公認のイルカ飼育チームのウェブサイトが公開されていた。
水族館の1階から2階を貫く「黒潮の海」水槽は、長さ35m×幅27m、深さ10m、水量7,500m³で世界でも有数の大きさを誇る。観客と大水槽を隔てるアクリルパネルは高さ8.2m、幅22.5m、厚さ60cm、パネル総重量は135トンあり、ギネスブック公認の世界最大のアクリルパネルとなっていたが、2008年（平成20年）10月にオープンしたドバイ水族館のアクリルパネルに記録を更新された。この「黒潮の海」水槽には、全長8.6mものジンベエザメやナンヨウマンタをはじめ、サメやエイ、その他黒潮の多種多様な回遊魚たちが泳いでおり、来館者の視界いっぱいに水槽が広がる雄大な光景を見せている。ジンベエザメは餌を採る際に口を水面に向け垂直の姿勢をとるが、成熟すれば全長9メートルに達するといわれるジンベエザメの尾が水底をこすらないように水槽の深さは10mとされたのである。この大水槽では給餌解説が行われるほか、上部から水槽を観察する「黒潮探検（水上観覧コース）」（定員制）や水槽に隣接したカフェ「オーシャンブルー」などもあり、沖縄美ら海水族館のハイライトとなっている。
「星の巫女」とは、特殊な魔の資質を持ち、その魔の資質を探知した超巨大エミュレイターである小惑星・魔王ディングレイ落下の道標となる生きた標的である。くれはは現代における星の巫女であり、これに絡んで二度命を狙われている。一度目は小説及びリプレイ「星を継ぐ者」においてで、ディングレイを落下させまいとする各ウィザード組織に命を狙われている。この時、彼女が通う輝明学園のオーナーであり、同じ陰陽師の名家である御門家はくれは抹殺に動いており、赤羽家と御門家との間には現在まで深い確執が残ることになった。二度目は「フレイスの炎砦」の時で、第八世界と同じ主八界の一つである第一世界「ラース＝フェリア」からやってきた騎士ザーフィが持つ「魂の短剣」によって魂を抜かれてしまう。ザーフィは星の巫女たるくれはの第一世界における同位体である「紅き巫女」を守る7人の「柱の騎士」の1人だったが、そのリーダーであるガザは紅き巫女の中で覚醒していたディングレイに操られており、ザーフィはガザの命で動いているに過ぎなかった。しかし紅き巫女の親友であるポーリィ＝フェノールの説得でザーフィは柱の騎士を離脱、くれは救出のために第一世界に赴いた柊と手を結ぶ。だが魔王ベール＝ゼファーの介入によってくれははディングレイと半同化、全世界からエミュレイターと見なされる事態に陥った。それでも柊たちは屈する事なく、遂にくれはを救い出すことに成功する。なお「炎砦」にて、紅き巫女を守護する柱の騎士と同様に、星の巫女には7人の守護剣士がいることが明かされ、「合わせ鏡の神子」にて柊がその一人であることが明らかになっているが、『ナイトウィザード』の現行ルールである『The 2nd Edition』ではルールブック、サプリメント、公式リプレイのいずれにおいても記述がないことに加え、当の柊自身が『セブン＝フォートレス メビウス』リプレイ「シェローティアの空砦」にて第一世界に旅立ったため、この設定は固まっていない。「合わせ鏡の神子」では『アルシャード』（ルール第一版）リプレイ「スルトの剣」の七瀬晶も守護剣士とされたが、『アルシャード』の世界観設定自体が『アルシャードff』『アルシャードガイアRPG』へのバージョンアップや「アルシャードトライデント」の展開によってが大きく変更されたため、扱いは流動的となっている。星の巫女の守護剣士は皆同様の形状の剣をもった魔剣使いで、宝玉の色のみが異なっている。