Il museo è composto da due stanze; nella prima sono conservate le opere d'arte più importanti. Subito dopo l'entrata si può ammirare la splendida croce capitolare, croce astile di argento realizzata nel 1534; da un lato è collocato il crocifisso, con Dio Padre sopra, la Maddalena sotto e ai lati sinistro e destro la deesis, ovvero la Vergine e San Giovanni evangelista; dall'altro lato si vede Santo Stefano, patrono della città, e ai quattro estremi i quattro evangelisti.
Sulla parete destra della sala principale sono poste sei tavole raffiguranti sei apostoli, icone risalenti al XIV secolo ed attribuiti ad un artista, forse prossimo a Paolo Veneziano, chiamato Maestro di Caorle, probabilmente attivo non solo in zona, poiché al medesimo Maestro di Caorle sono attribuite due tavole con figure di Santi attualmente conservate nella Pinacoteca Civica di Forlì. Le sei tavole del Museo costituivano (insieme ad altre nove, ora disperse) l'antica iconostasi, che divideva un tempo il presbiterio dal resto della navata centrale.
In quattro teche da esposizione sono raccolte numerose reliquie di santi; le più importanti sono la reliquia del Cranio di Santo Stefano ed una reliquia, capolavoro di oreficeria veneziana del XIV secolo, contenente (secondo la tradizione) della terra calpestata da Gesù sanguinante durante la salita al calvario (detto dunque del preziosissimo sangue). Oltre alle reliquie, sono conservati diversi ostensori in argento ed argento dorato (uno dei quali donato dall'ultimo vescovo Giuseppe Maria Peruzzi nella prima metà dell'Ottocento). Appese a tutte le altre pareti della stanza, delle teche conservano numerosi piviali, pianete, stole e manipoli, con gli stemmi dei vescovi di Caorle, mentre altre teche contengono preziose Carteglorie in argento cesellato, e contenenti frammenti di testi liturgici di età barocca.
La seconda stanza, più piccola, contiene altre reliquie di santi, come un braccio di Santa Margherita e frammenti ossei di San Gilberto, compatroni di Caorle; in fondo alla stanza, in un'apposita teca da esposizione, sono conservati preziosi cimeli appartenenti a papa Giovanni XXIII (la veste talare, lo zucchetto, le pantofole, un cero da lui stesso donato a Caorle in occasione di una ricorrenza mariana) portati a Caorle dai fratelli Guido e Giampaolo Gusso, già aiutanti e segretari del papa; inoltre vi sono alcuni cimeli appartenuti a papa Pio XII.
Degno di particolare attenzione, infine, è il modellino in scala del duomo, realizzato da un parrocchiano, esposto al centro della stanza minore.
