Com as navegações para o Índico, no início do século XVI, estabelece-se a primeira rota marítima oceânica e o uso da nau, navio que já podia ser manobrado com toda a propriedade pelos navegadores lusos; com as novas exigências em matéria de navegação, o pano redondo vai substituir o latino nas naus e galeões que vão para o Oriente. O conhecimento do regime de ventos no Oceano Atlântico e o fenómeno das monções no Oceano Índico dispensavam a navegação à bolina.
Mas a penetração portuguesa no Oriente não foi pacífica face à oposição dos muçulmanos; D. Francisco de Almeida, na sequência de uma série de ações navais contra os turcos, trava em 1509 a célebre Batalha Naval dos Rumes, frente a Diu, na qual obtém uma estrondosa vitória. Afonso de Albuquerque consolidou depois, de modo notável, a presença lusitana, conquistando cidades de importância estratégica vital para o domínio do Índico e destruindo o que restava do poder naval turco.
Em Marrocos prosseguem as conquistas dos portugueses que no início do século XVI se apoderam das cidades de Safim, Azamor, Mazagão e Mogador.
Os navegadores portugueses continuam, porém, o seu progresso para Oriente, visitando o arquipélago Malaio, o Sudoeste Asiático, a China (1517) e mesmo a Austrália (1522); alcançam a ilha de Thai-Van (a que chamam Formosa) e o Japão e penetram no Mar Vermelho (1542) tentando atingir Suez para ali destruir a esquadra turca.
No Ocidente desenvolviam-se igualmente as explorações marítimas lusitanas, visitando as costas da Nova Inglaterra (1520) e Califórnia (1542) e a Baía de Hudson (1588), enquanto Fernão de Magalhães, ao serviço de Espanha, inicia em 1521 a primeira viagem de circum-navegação.
Toda esta ação só foi possível, mercê de uma capacidade naval servida por um perfeito conhecimento das artes de navegar e da construção naval, e por uma excelente coragem e determinação na defesa dos interesses nacionais; estas capacidades estão bem expressas nos cercos de Diu, nas ações do vice-rei D. Luís de Ataíde, onde os navios desempenharam papel vital, defendendo Goa, e simultaneamente, enviando 13 naus em socorro de Malaca, 5 a Samatra e outras a Cochim, fazendo retirar o Hidalcão levantar o cerco de Chaúl e bater o Samorim, enquanto a frota de Moniz Barreto, em Malaca, destruía a do rei de Achém.
Desenvolvimento da construção naval
Desde o século XV que uma evolução na construção naval e na arte de navegar permitiu dotar os navios portugueses de melhores requisitos para as necessidades da época. As agulhas de marear passam a dispor de rosas de 32 rumos em vez de 12; a suspensão de balança é usada desde 1537, mas, desde 1560 é conhecida como cardan. D. João de Castro, em 1538, notou, por observação, o desvio da agulha, 128 anos antes de Dennys e ainda desenvolveu um método rudimentar para determinação da longitude.
D. João II manda artilhar as caravelas de forma a dar-lhes, por largos anos, uma enorme superioridade no combate contra as pesadas naus. As naus de Vasco da Gama já levavam a artilharia sob coberta, o que acarretou a necessidade de se abrirem portinholas no costado. Em 1502 Vicente Sodré, que cruzava com uma pequena esquadra nos mares da Índia, resolveu, para aumentar o ritmo de fogo, preparar antecipadamente a carga de pólvora, ensacando-a; o cartucho português aparece assim um século antes do cartucho do francês Balt. Em 1534 foi construído em Lisboa um dos maiores galeões de que há notícia; o "São João" ou "Botafogo" de 366 peças de bronze em 5 baterias.
Os assuntos da Marinha corriam então pelo Armazém da Guiné e Índia dirigidos pelo Provedor, enquanto o Cosmógrafo-Mor tinha a seu cargo a cartografia, a hidrografia e os exames dos pilotos.