Il Museo del Santuario, che comprende diverse raccolte ed importanti sezioni espositive, è allestito nei locali attigui al convento che ospita una comunità di Agostiniani. Nella raccolta di dipinti, sculture, arredi sacri e suppellettili religiose numerose sono le opere che raccontano la storia del santuario.

Spiccano tra i dipinti, una grande tela raffigurante L’Eterno Padre benedicente e una lunetta con cornice dorata raffigurante una Pietà, eseguite tra il 1518 e il 1523, che facevano parte della grande pala dell’altare maggiore del Santuario. Di notevole valore è il gruppo ligneo della Natività, formato dalle statue della Madonna, del Bambino e di San Giuseppe, del ‘300, una delle realizzazioni scultoree più antiche delle Marche.

Numerosi sono gli oggetti in argento esposti, tra cui reliquiari, ostensori, candelieri, calici, turiboli, ex voto in lamina argentea, che fanno parte del patrimonio del Santuario. La sezione delle Ceramiche fu donata al Comune di Tolentino nel 1933 dal Cardinale Giovanni Tacci. Comprende importanti manufatti, di varie epoche, delle principali officine ceramiche italiane, tra cui una statuina rappresentante un pastorello di Giovanni Della Robbia, e oggetti di officine inglesi, giapponesi e cinesi.