Si deve a Cosimo I de' Medici l'idea di costruire a Pisa un arsenale per le navi della potente flotta toscana. L’iniziativa faceva parte di un più ampio progetto volto a restituire a Pisa l'antico splendore, perso dopo la resa della città ai fiorentini nel 1509.
L'istituzione, nel 1562, dell'Ordine di Santo Stefano rientrava in questa ottica così come l’arsenale costruito su progetto del Buontalenti. Già funzionante intorno al 1540, il nuovo cantiere navale mediceo varò, nel 1546, la prima galera interamente costruita da maestranze locali.
L'arsenale era articolato in otto navate lunghe mediamente 60 metri, alte 8 e larghe circa 10. Il cantiere richiedeva una sempre maggiore estensione fu così che il "Giardino dei Semplici", ubicato nella stessa area, venne trasferito nel 1563. La concorrenza dei cantieri di Livorno e Portoferraio e una mutata politica marittima, tuttavia, ne decretarono presto un lento ma inesorabile declino fino a che, alla metà del secolo XVIII, sotto i Lorena, i locali furono trasformati per accogliere i cavalli del reggimento dei Dragoni.
Oggi nell'area restaurata degli Arsenali sono allestite alcune esposizioni che presentano una parte di importanti ritrovamenti archeologici. Si tratta di relitti di imbarcazioni e suppellettili dell’antica area portuale etrusca e romana (V secolo a.C.-V d.C.) situata nella zona dell’odierna stazione ferroviaria di Pisa - San Rossore, che costituiscono il nucleo principale del futuro Museo delle Navi di Pisa.