Учащиеся последовательно изучали геометрию («землемерие»), плоскую планиметрию, стереометрию, параллельно им тригонометрию и черчение. Писали ученики на аспидных досках грифелями. Все старшие ученики верхних классов, а также выпускники Школы назывались навигаторами. Они изучали географию, диурналы (ведение навигационного журнала), навигацию плоскую и меркаторскую. Наиболее способные ученики осваивали сферику – сферическую тригонометрию, основу математической географии и морской астрономии, из этих учеников вырастали навигаторы и геодезисты.
Первый официальный выпуск из Навигацкой школы состоялся в 1705 году и составил 64 человека.
К 1715 году Школой математических и навигацких наук было подготовлено около 1 200 специалистов разного профиля.
По указу Петра I от 20 декабря 1715 года «О высылке знатных особ детей в Санкт-петербургскую школу» началось разделение на Навигацкую школу в Москве и Морскую академию в «Питербурхе». Согласно указу учеников старших навигаторских классов перевели в Санкт-Петербург в создаваемую Морскую академию. Кроме этого Петр I указал: «Которые есть в России знатных особ дети, тех всех, от 10 лет и выше, выслать в школу Санкт-петербургскую, а в чужие краи не посылать, и чтоб оные недоросли высланы нынешнею зимою».
В феврале 1716 года 135 учеников Навигацкой школы выехали в Санкт-Петербург для определения в Морскую академию. В это число попали Степан Малыгин (в Школе с 1711 г.), трое братьев Кошелевых и недавно поступившие 15-летний Петр Чаплин, Алексей Чириков и его двоюродный брат Иван. Осенью 1717 г. Василия Прончищева вместе с Семеном Челюскиным направили также в Морскую академию.
Всего за 1715—1716 гг. из Москвы в Морскую академию убыло 305 питомцев Навигацкой школы. Из 394 учеников в 1724 г. к апрелю 1725 г. в Навигацкой школе осталось только 180 человек.
После создания Морской академии сама Навигацкая школа лишилась своего прежнего статуса и стала подготовительным училищем при Академии.
С 1724 по 1727 гг. начальником Навигационной школы состоял Ипат Калинович Муханов, один из первых русских капитанов. Затем заведование Школой вновь перешло к Л. Магницкому, преподававшему в Навигацкой школе 38 лет, до последних дней жизни.
Перевод старшего навигацкого класса в Санкт-Петербург не оборвал связь Навигацкой школы с флотом. Ее по-прежнему называли «школой Адмирала Графа Апраксина», или Адмиралтейской. Школа приняла подготовительный характер и поставляла учеников в Морскую академию или в морскую артиллерию, а также в Инженерную и Артиллерийскую школы.