Il Museo custodisce i reperti archeologici e le opere d'arte provenienti dal territorio diocesano, databili dal II secolo al XX secolo, organizzati su tre piani e divisi in quattro sezioni.

Nella prima sezione sono presentati: reperti archeologici, provenienti dalle catacombe di Santa Mustiola e Santa Caterina; un sarcofago in marmo con Scene di battaglia contro i barbari (fine del II e l'inizio del III secolo).

Nella seconda sezione sono conservati arredi sacri e suppellettile liturgica, databili dal XV - XIX secolo, provenienti per la maggior parte dalla concattedrale.

Nella terza sezione sono custodite 21 codici miniati (XV secolo), provenienti dall'Abbazia di Monte Oliveto Maggiore, decorati da pittori come Sano di Pietro, Francesco di Giorgio Martini e Liberale da Verona.

Nella quarta sezione, inaugurata nel 1992, espone opere d'arte e suppellettile liturgica provenienti dal territorio diocesano. Di grande interesse storico-artistico. Da segnalare la Madonna col Bambino (1455 - 1460) di Sano di Pietro; Madonna col Bambino in trono tra san Giacomo e sant'Andrea apostolo (XVI secolo), attribuita a Girolamo di Benvenuto; Sacra famiglia con san Giovannino e santa Caterina (inizio XVII secolo) di Vincenzo Rustici.

Il percorso prosegue con la visita del cosiddetto Labirinto di Porsenna: si tratta di una serie di cunicoli sotterranei etruschi (V secolo a.C.), che in gran parte si snodano sotto il Duomo, conducendo alla cisterna etrusco-romana e alla salita sulla torre campanaria. Dal Museo inizia la visita per la Catacomba di Santa Mustiola, per quella più piccola Santa Caterina d'Alessandria e la Cattedrale paleocristiana (VI secolo).