Il museo ha sede dal 1985 nel palazzo Ghisilardi-Fava, esempio tra i più significativi dell'età bentivolesca (fine Quattrocento) e conserva lasciti di collezionisti felsinei. Particolarmente preziosa è la raccolta del pittore bolognese Pelagio Palagi, donata nel 1881 al Museo civico all'atto della sua costituzione, poi arricchitasi con altre opere provenienti da chiese e conventi della città dopo le leggi eversive del 1866. Il nucleo più significativo del museo è costituito dalle testimonianze del medioevo cittadino, a partire dai manufatti più antichi fino alla statua di papa Bonifacio VIII, realizzata in lastre di rame dorate su un'anima di legno dall'orafo Manno Bandini da Siena (1301). Accanto alla statua è esposto il piviale dello stesso pontefice, lavoro tra i più insigni dell'opus anglicanum, proveniente dalla chiesa di San Domenico. Si segnalano inoltre una Madonna con Bambino (1410) di Jacopo della Quercia, avori gotici di scuola francese e italiana, bronzi medievali e rinascimentali (Giambologna e Gian Lorenzo Bernini), le arche dei dottori dello Studio di Bologna (XIV e XV secolo) e armi