Il Museo diocesano di San Petronio di Bologna è allestito all'interno della basilica di San Petronio, nella navata sinistra. Il nucleo iniziale della raccolta ospitata nel Museo, citata anche dal Vasari, si costituì tra il XVI e XIX secolo in relazione al problematico completamento della facciata della basilica, anche se il museo vero e proprio fu costituito solo nel 1894, riunendo nello stesso locale varie testimonianze e documenti relativi alla costruzione della basilica con la suppellettile liturgica.

L'itinerario espositivo del museo è suddiviso in due sale.

La prima sala ospita le testimonianze della storia della basilica e della sua problematica costruzione, con il mancato completamento della facciata. Infatti, sono qui raccolti i progetti, i disegni ed i modelli per la facciata della basilica di San Petronio realizzati dagli architetti che dal XVI al XIX secolo si avvicendarono nel tentativo di realizzarla. Tra questi si ricordano: Baldassarre Peruzzi, Giulio Romano, Cristoforo Lombardo, Jacopo Barozzi da Vignola, Pellegrino Tibaldi, Andrea Palladio ed Edoardo Collamarini.

Nella seconda sala è conservato il Tesoro di San Petronio. Di particolare rilievo: le preziose oreficerie del XIII secolo; la Pace di san Sebastiano (fine XV secolo), in argento sbalzato e cesellato; due cofanetti (XV secolo) realizzati dalla bottega degli Embriachi; un corale (XV secolo) con tre miniature di Taddeo Crivelli; i corali miniati (XV - XVI secolo) eseguiti dai miniatori Martino da Modena e Giovanni Battista Cavalletti; la croce astile (1547), in argento sbazato e cesellato, opera del bolognese Giovanni Battista del Gambaro; i paramenti sacri, databili dal XVI al XVIII secolo. il Reliquiario di sant'Antonio di Padova (nella seconda metà del XVII secolo), proveniente dalla Cappella Cospi, a cui si associa un crocifisso in lapislazzuli, argento e pietre dure.