Istituito nel 1901, il museo è stato di recente trasferito nel gotico-rinascimentale Palazzo vescovile, già Borgia, adattato dal cardinale Rodrigo Borgia, futuro papa Alessandro VI. Custodisce dipinti, codici miniati, arazzi fiamminghi e paramenti provenienti dalla cattedrale e da altre chiese della diocesi. Da segnalare il pastorale, la mitria, la pianeta e il piviale istoriato in oro (manifattura inglese del XIV secolo) di papa Pio II, dono di Tommaso Paleologo; la croce reliquiario di Goro di Neroccio; i dipinti di Bartolo di Fredi (Madonna della Misericordia), di Pietro Lorenzetti (Madonna col Bambino), del Vecchietta (ancona con Madonna in trono col Bambino e santi), di Luca Signorelli e bottega (Madonna della Misericordia con S. Sebastiano e S. Bernardino) e di Fra Bartolomeo della Porta (Riposo nella fuga in Egitto)