Il tesoro della cattedrale di San Lorenzo iniziò a formarsi come raccolta di oggetti già dal XII secolo; nei secoli successivi si incrementò grazie a donazioni ufficiali e private, contributi "di stato" e di devozione, bottini di guerra. Particolare ricchezza e varietà attestano gli inventari conosciuti, datati fra Tre e Cinquecento, ma soltanto pochissimi fra gli oggetti in essi registrati sono pervenuti a noi. Varie cause, come il mutare dei gusti e la necessità di denaro liquido per far fronte a eventi politici e sociali di particolare gravità minarono l'integrità del suo patrimonio. Il tesoro divenne un museo nel 1892, in occasione del quarto centenario della scoperta dell'America, quando si decise di dare a questo prezioso patrimonio una sistemazione stabile, rendendolo visibile al pubblico in permanenza. Vennero costruiti tre grandi armadi dotati di serrande di sicurezza.
L'attuale disposizione del museo nacque nel 1956 su progetto dell'architetto Franco Albini, ed è riconosciuta all'interno della museologia moderna come un capolavoro a livello internazionale. È una di quelle opere "eccellenti", come le definisce Leonardo Benevolo nella sua Storia dell'Architettura Moderna, degli architetti italiani del dopoguerra, che si situano all'interno del Movimento Moderno in Italia, con il suo attento inserirsi nell'ambiente costruito storico, ed in quel variegato dispiegarsi del Razionalismo italiano.
Gli ambienti sotterranei in pietra grigia, immersi in penombra, richiamano le costruzioni a thòlos del mondo miceneo. La struttura architettonica del museo si articola in brevi corridoi che conducono a un piccolo atrio su cui prospetta un primo ambiente circolare; poi una stanza centrale, di forma irregolare, su cui si innestano altri tre ambienti circolari, di dimensioni sempre maggiori. Blocchi di pietra nera di promontorio sono impiegati nei pavimenti e nelle pareti, mentre il vetrocemento e il cemento armato costituiscono le coperture dei vari ambienti.
