1768 yılında başlayan Osmanlı-Rus savaşında Osmanlı ordusunun teknik açıdan zayıf bulunması ve 1770'te Çeşme'de Osmanlı donanmasının Rus donanmasının baskınına uğramasından sonra deniz kuvvetlerinin yenileşmesine ilişkin teşebbüslere başlandı. Nihayet Tersâne-yi Âmire'de gemilerin çekildiği boş bir hangarda Hendesehane yahut Hendese Odası adıyla ilk defa bir bahriye mühendishanesi açıldı (1775). Nizâm-ı Cedit devrinin sona ermesiyle (1807) başlayan dönemde ihmale uğrayan bahriye mühendishanesi, Koca Hüsrev Paşa'nın kaptanıderyalığı esnasında kaleme aldığı 1824 tarihli bir rapor üzerine tekrar gündeme geldi (bk. Mühendishâne-yi Bahrî-yi Hümâyun).
1826'da Yeniçeri Ocağı'nın ilgasından sonra askerî kurumlardaki yeniden yapılanma aşamasında Mühendishâne-yi Bahrî-yi Hümâyun 1830'da Heybeliada'ya, 1838'de Kasımpaşa'da inşa edilen bir binaya (sonradan Deniz Hastanesi) taşındı. Bu dönemde kayıtlı kırk talebesine rağmen bunların ancak yarısının derslere devam etmesinden ve eğitimin yetersizliğinden şikâyet edilen okul, 1852'de tekrar ama bu sefer kalıcı olarak Heybeliada'ya nakledildi. 1853 yılının Ekim ayında mektep bünyesinde idâdî (lise) sınıflarının açılması kararı alındı. Bu karar gereğince 1853 yılının Nisan ayından itibaren ilk defa idâdî seviyesindeki talebelerin mektebe kaydı yapıldı. 1865 yılında alınan karar gereği bütün askerî mekteplerin, hatta Tıbbiye'nin idâdî kısımlarının Galatasaray Kışlası'nda birleştirilmesi (Umum Mekâtib-i İdâdî-yi Şâhâne) üzerine bahriyeli talebeler de burada eğitim görmeye başladı. 1878 yılına kadar sürdüğü tahmin edilen bu uygulama gereği üç yıl burada ortak dersleri görerek eğitimlerini başarıyla tamamlayan öğrenciler Tıbbiye, Harbiye, Bahriye ve Mühendishâne-yi Berrî-yi Hümâyun mekteplerinin âlî kısmında okumaya hak kazanmıştır.
Denizciliğe ve donanmaya hususi bir ilgi gösteren Sultan Abdülaziz döneminde Tersâne-yi Âmire'nin yenilenmesi ve geliştirilmesi konusunda adımlar atıldı ve heybetli bir filo oluşturulma gayreti içine girildi. Avrupa ülkelerinden satın alma yoluyla yeni zırhlı gemiler tedarik edildiği gibi mevcut gemilerden bazıları Avrupa tezgâhlarına gönderilerek buharlıya ve zırhlıya dönüştürüldü. Yenileştirilmeye ve geliştirilmeye çalışılan Tersâne-yi Âmire'de yeni gemilerin sevk ve idaresinde yetişmiş personel sıkıntısı baş gösterince Bahriye Mektebi ders müfredatının güncellenmesi bir ihtiyaç halini aldı. Buharlı ve zırhlı gemiler devrine geçiş, nitelikli ve eğitimli denizci personel yetiştirmeyi mecbur kılmıştı. Mektepteki gemi inşası ve güverte sınıflarına, buharlı gemi makineleri sınıfı ilave edildi. Sultan Abdülaziz'in denizcilikle ilgili ıslahatının önemli bir kısmı askerî denizcilik eğitimi alanında kendini gösterdi.
Bahriye Mektebi'nin eğitim sistemine bakıldığında rüştiye (ortaokul) mezunu olmaları ve imtihana girmeleri şartıyla ortalama on iki yaşında Bahriye Mektebi'nin idâdî sınıflarına alınan öğrenciler burada dört yıl eğitim görürlerdi. İdâdîyi bitirenler, mektebin önceleri "harbiye" daha sonra "bahriye" adı verilen (günümüzdeki Deniz Harp Okulu) sınıflarına geçerler ve burada iki yılı mektepte iki yılı da talim gemisinde olmak üzere dört yıl eğitim alırlardı. Harbiye eğitimlerinin ikinci yılını tamamlayıp üçüncü seneye geçiş hakkı kazananların tamamı mektepteki kura sistemine dahil olur ve çekilen kura neticesinde güverte (kaptan) sınıfına ayrılanlar -ki bunlar çoğunluğu oluştururdu- mühendis unvanıyla ve mülâzım-ı sânî (teğmen) rütbesiyle mektebin talim gemisine çıkarılarak burada iki yıl uygulamalı eğitime tâbi tutulurlardı. Çektikleri kurada inşâiye ve makine (çarkçı) sınıfına ayrılanlar mektepte meslekleriyle ilgili iki yıl daha eğitim görürlerdi. İnşâiye ve makine sınıfındakilerle talim gemisine gitmiş olan güverte sınıfı zâbitler eğitimlerini başarıyla tamamladıklarında ortalama yirmi yaşlarında bulunurlar ve mülâzım-ı evvel (üsteğmen) rütbesiyle donanmaya iltihak ederlerdi. Makine ve inşâiye sınıfına ayrılan öğrenci sayısı oldukça az olup bunların sayısı bir ile beş arasında değişirdi. Öğrenciler daha ziyade güverte sınıfına dahil olmak isterler, makine ve inşâiye kurası çekenler güverte sınıfına geçmek için çaba harcarlardı. Güverte sınıfından mezun olanlar donanmada, inşâiye sınıfından mezun olanlar Tersâne-yi Âmire'nin İnşâiye Dairesi'nde, makine sınıfından mezun olanlar ise yine Tersâne-yi Âmire'nin Makine Resimhanesi'nde istihdam edilirlerdi.
Donanmada göreve başlayan zabitler yaptıkları işler itibariyle seyrüsefâin memuru, topçu zabitanı ve torpido memuru gibi unvanlarla sınıflara ayrılırdı. Büyük ölçüde Sultan Abdülaziz döneminde belirlenen Bahriye Mektebi'ndeki eğitim süresi ve eğitim sistemi Osmanlı Devleti'nin sonuna kadar devam etmiştir. 1876'da tahta çıkan II. Abdülhamid, deniz gücünün yeni teknolojilerle güçlendirilmesini, personelin buna göre eğitilmesini ve dolayısıyla Bahriye Mektebi'ndeki müfredatın bu doğrultuda düzenlenmesini istemiştir. Bu dönemde bazı yeni uygulamalar da söz konusu olmuştur. Mesela 1864 yılında teşkil edilen Erkân-ı Harbiye-yi Bahriye zabitliğine (bahriye kurmay subayı) atanma usulünde değişiklik yapılmıştır. O tarihten beri Bahriye Mektebi mezunu subayların sicil ve başarı durumları esas alınarak tevcih yöntemiyle kurmay subay ataması gerçekleştirilirken 1887 yılından itibaren Bahriye Mektebi'nden dereceyle mezun olan ilk üç kişinin kurmay subay statüsüne alınması uygun görülmüştür. Bu şekilde mektepteki en başarılı öğrenciler taltif edilmiştir.
Mühendishâne-yi Bahrî-yi Hümâyun'un ilk faaliyete geçtiği yıllarda, Fransız hocaların etkisiyle ama aynı zamanda dönemin diplomasi dili olmasından dolayı mektepte yabancı dil olarak Fransız lisanı okutulmaktaydı. Ayrıca ne zaman müfredata dahil edildiği tespit edilememekle birlikte Rumca da 1863 yılında müfredattan kaldırılıncaya kadar mektepte yabancı dil olarak okutulan bir diğer lisan olmuştur. Buharlı ve zırhlı gemiler döneminin başlaması ve bu yeni teknolojinin İngiltere'den ithali söz konusu olunca Bahriye Mektebi'nde XIX. yüzyılın ilk çeyreğinden itibaren yabancı dil olarak İngiliz lisanı zorunlu olarak okutulmaya başlanmıştır. Tahminen 1896 yılından itibaren ikinci bir yabancı dil olarak Fransızca müfredata dahil edilmiştir. Aynı yıllarda fotoğrafçılık dersi de mektepteki seçmeli dersler arasına eklenmiştir.
II. Abdülhamid döneminde yürürlükte olan "Mekâtib-i Askeriye-yi Bahriyenin Ders Programlarıyla Umûr-ı Askeriye ve Tedrîsiye ve Dahiliyesi Hakkında Mücedded Tanzim Kılınan Talimattır" başlıklı talimatname (DTA, BN. 661/26430) dönemin bahriye askerî eğitim tarihine ışık tutması açısından önemlidir. Mektebin idâdî ve harbiye/bahriye sınıflarında okutulan dersler, eğitimin ve imtihanların nasıl icra edileceği, derslerden başarılı olma kriterleri, mektepte ve mektep dışında talebenin uyacağı kurallarla bunlara aykırı hareket edenlere verilecek cezalar gibi konuların detaylarına bu talimatname sayesinde vâkıf olunabilmektedir. Yalnız Heybeliada Bahriye Mektebi ile ilgili değil aynı zamanda Bahriye Mektebi'ne idarî olarak bağlı olan Kasımpaşa Bahriye Askerî Rüştiyesi ve Tersâne-yi Âmire'de faaliyet gösteren Haddehâne Şâkirdân Mektebi'ndeki eğitim öğretim faaliyetleri hakkında da talimatname sayesinde malumat sahibi olunabilmektedir. II. Abdülhamid döneminde deniz ticareti yapan gemilere eğitimli kaptan yetiştirmek ve deniz ticaretini geliştirmek maksadıyla Bahriye Mektebi bünyesinde 1887 yılında eğitim süresi dört yıl olan Leylî Tüccar Kaptan Mektebi açıldı. Aynı yıl Azapkapı'da Tersâne-yi Âmire'nin idaresinde olarak Nehârî Tüccar Kaptan Mektebi faaliyete geçti.
Bahriye Mektebi'nin idâdî ve harbiye sınıflarında nazarî eğitim gören öğrenciler, harbiye sınıfının üçüncü ve dördüncü senelerini talim gemisinde uygulamalı eğitimle geçirirlerdi. Mektebe ilk defa ne zaman talim gemisi tahsis edildiği sorusuna kesin olarak cevap vermek mümkün olamasa da eldeki bilgiler ışığında 1863'te ahşap Hudâvendigâr firkateyni bu iş için görevlendirilmiştir. Gemi aynı vazifeyle 1872'de Tunus ve Trablusgarp sahillerine kadar seyir yaptı. 1873'te ahşap Muhbir-i Sürûr firkateyni talim gemisi oldu, mektebin harbiye üçüncü ve dördüncü sınıflarındaki öğrenciler bu gemide eğitim gördüler. Gemi; Port Said, Süveyş, Aden ve Basra'ya uğrayarak Bombay'a kadar seyir yaptı ve sekiz ay süren seyahatten sonra İstanbul'a döndü. Bu uygulama sonraki yıllarda kesintiye uğramıştır. Fakat uygulama tamamen de terkedilmemiştir. Mesela 1880'de mektebin bahriye son iki sınıflarının uygulamalı eğitimleri için tahsisli mektep gemisi Nüvîd-i Fütûh Brik-i Hümâyunu Gemlik ve İzmit körfezi civarında görevlendirilmiştir. 1884 senesinde mektepten mülazım rütbesiyle mezun olan öğrencilerin uygulamaları açık deniz eğitimleri için Girit'in Suda Tersanesi merkez ittihaz edilerek Mehmed Selim firkateyni talim gemisi tayin edilmiştir. Adı geçen gemi 1895'e kadar bu görevi icra etmiştir. Sonraki yıllarda İzmir, Heybetnüma ve Hudâvendigâr korvetleri talim gemisi olarak vazife görmüştür. Buradan da anlaşıldığı üzere II. Abdülhamid döneminde talim gemileriyle eğitim devam etmiştir. Mektep önünde daimi surette bulundurulan Nüvîd-i Fütûh briki de yazın öğrencileri alarak İzmit körfezine ve Gemlik taraflarına açılmaktaydı. Ayrıca gediklilerin (astsubaylar) eğitimi için Selimiye firkateyni ve torpido eğitimi maksadıyla da Muhbir-i Sürûr firkateyni mektep gemisi olarak kullanılmıştır. 1884'te içerisinde her türlü elektrik ile torpido takım ve aletleri mevcut olan Muhbir-i Sürûr firkateyni bahriye zâbit ve efradının torpido ve elektrik derslerinin teorik ve uygulamalı eğitimi maksadıyla torpido mektebi olarak faaliyete geçirildi, daha sonra aynı gemide elektrik dersleri de okutulmuştur.
Heybeliada Bahriye Mektebi'nin 1892 yılı istatistiklerine bakıldığında yetmiş dokuzu Tüccar Kaptan Mektebi öğrencisi olmak üzere mektepte toplam 444 talebenin bulunduğu görülmektedir. Aynı yıl mektepteki ümera ve zabitan mevcudu ise elli kişidir. Albay rütbesinde bir mektep nazırının emrinde olarak üç sağlık personeli (yarbay rütbesinde bir tabip, kol-ı sânî rütbesinde bir eczacı ve sivil bir cerrah), dördü sivil olmak üzere çeşitli rütbelerde yirmi bir muallim mevcuttur. Yedi kâtip, aynı zamanda mektepte hâfızıkütüp (kütüphaneci) olarak vazife yapan bir imam ile binbaşı rütbesinde bir mektep müdürü ve aynı rütbede bir ders nazırı bulunmaktadır. Yüzbaşı rütbesinde yedi de dahiliye zabiti görev yapmaktadır. Ayrıca hizmet ve güvenlik gibi görevler için 150 nefer istihdam edilmektedir. Dolayısıyla mektep 1892 yılı itibariyle 444'ü öğrenci, 200 ise personel olmak üzere 644 mevcutlu bir eğitim kurumu olarak hizmet vermekteydi.
Mektepte hafta sonu çarşamba günü akşamı olup öğrencilere ev izni on beş günde bir verilirdi. Perşembe günü sabahleyin ev iznine gönderilen öğrenciler cuma günü akşam üzeri dönerlerdi. Çeşitli sebeplerle ceza alanlar geçici süre bu haktan mahrum kalırlardı. Mektebin bir camisi mevcuttu. Bazı zamanlar öğle namazından sonra cami imamı tarafından talebelere yönelik dinî sohbetler de yapılırdı. Kandil ve padişahın doğum günü gibi günlerde mektebin camisinde mevlîd-i şerif okunup dualar edilirdi. Yine her sene muharrem ayının 10. günü olan aşure gününde diğer askerî mekteplerde olduğu gibi Bahriye Mektebi'nde de aşure ikramında bulunulurdu. Her yıl hıdrellez gününde Heybeliada Çam Limanı'nda piknik düzenlenirdi. Adada ikamet eden müslüman aileler de bu eğlenceye katılırdı. Yine aynı şekilde mayıs ayı sonlarına yahut haziran ayının ilk haftasına denk gelen hıdrellezde Kâğıthane'de bütün askerî mekteplerin katıldığı kuzu günü kutlamaları adıyla anılan etkinlikler de piknik havasında geçerdi. Kâğıthane'deki bu kutlamaların 1892 yılında başladığı anlaşılmaktadır.
Bahriye Mektebi'nden mezun olan bazı öğrencilerin Avrupa'da gemi inşa sanayindeki gelişmeleri yakından gözlemlemek, donanma manevralarında tecrübe kazanmak ve meslekî gelişim sağlamak maksadıyla yurt dışına gönderilmeleri de söz konusu olmuştur. Bu durum gemi teknolojisinde yelkenliden buharlıya geçişin yaşandığı XIX. yüzyılın ikinci yarısından itibaren başlamış olup başta İngiltere olmak üzere, Fransa, Almanya, İtalya hatta Amerika Birleşik Devletleri'ne Osmanlı bahriyesinden bazı zabitler gönderilmiştir.
II. Meşrutiyet'in ilanından sonra diğer kurumlarda olduğu gibi Bahriye Mektebi'nde de ıslahat çalışmalarına girişilmiş, yeni bir nizamname, talimatname ve program hazırlanmıştır. Fakat peş peşe vuku bulan savaşlar (Trablusgarp, Balkan ve I. Dünya harpleri) sebebiyle oluşan bu yeni ve zor ortamda umulan fayda sağlanamamıştır. I. Dünya Harbi yıllarında Bahriye nazırlığı görevinde bulunan Ahmed Cemal Paşa, mektebin iyi bir düzeye çıkarılması için hususi gayret göstermiş, ayrıca Yahya Kemal, Yusuf Akçura, Ali Sami Yen, Hamdullah Suphi Tanrıöver, Ahmet Hamdi Akseki gibi kendi alanında uzman ve kamuoyunca tanınan isimlere mektepte dersler verdirmiştir. Gerek harp yıllarında gerekse İstanbul'un işgali yıllarında Bahriye Mektebi'ndeki eğitimde bir aksama söz konusu olmamıştır.
Cumhuriyet döneminde, Bahriye Mektebi'ne ilk olarak 1924'te talebe kabul edilmiştir. 27 Mayıs 1928'de Heybeliada Bahriye Mektebi, Deniz Lisesi adını almıştır. 1930'da Deniz Lisesi ve Deniz Çekirdek Okulu Heybeliada'daki tesislerde tekrar birleştirilerek adı Deniz Harp Okulu ve Lisesi haline gelmiştir. II. Dünya Savaşı yıllarında okul 23 Mayıs 1941'de Mersin'e nakledilmiş ve 9 Eylül 1946'da tekrar Heybeliada'ya taşınmıştır. Bu tarihten itibaren okulun adı Deniz Harp Okulu ve Lisesi veya bazan Deniz Harp Okulu ve Koleji adıyla kayıtlara geçmiştir. Heybeliada'daki tesislerin zamanla yetersiz kalması üzerine 1977'de Tuzla'da temeli atılan binalar 31 Temmuz 1985'te hizmete girmiş ve Deniz Harp Okulu buraya taşınmıştır. Heybeliada'daki tesisler Deniz Lisesi Komutanlığı'na devredilmiştir. Türk askerî eğitim öğretim sisteminin yeniden yapılandırılması kapsamında 9 Kasım 2016'da Millî Savunma Üniversitesi'nin kurulmasıyla harp okulları adı geçen üniversite bünyesinde yeniden teşkilatlanmıştır.