Il portale di fianco alla facciata della chiesa dà accesso a un atrio che sbocca nell'elegante chiostro rinascimentale (1480) dell'antico convento domenicano, sul fondo del quale è l'ingresso al museo.

L’allestimento comprende, oltre a insegne sepolcrali e frammenti recuperati dal chiostro di San Domenico (fine del XIV-XV secolo), il pregevole tabernacolo con la Madonna, il Bambino, angeli e santi, affrescato da Niccolò Gerini nel 1391 su commissione del mercante Francesco Datini, posto a confronto con la relativa sinopia, e le sinopie dell’imponente Tabernacolo di Figline (di Agnolo Gaddi e bottega), oltre ad un affresco a finto polittico di Pietro di Miniato (1411).

Notevoli sono anche alcuni rari graffiti rinascimentali attribuiti a Girolamo Ristori e una Annunciazione, consunto rilievo marmoreo di Giovanni di Agostino (1335 circa). In parte del secondo ordine del chiostro conventuale, recentemente ricollegato al museo, sono collocate le importanti sinopie degli affreschi di Paolo Uccello con Storie della Vergine e di santo Stefano nel Duomo di Prato (1434 circa), condotte con segno rapido e sicuro che ben caratterizza i personaggi e con alcune varianti rispetto ai dipinti eseguiti (ricollocati in Cattedrale), e il felicissimo affresco col Cristo servito dagli angeli (1650), capolavoro del Volterrano.

Nel lato contiguo del porticato è in allestimento una rarissima serie di recipienti ceramici da tavola e da cucina, del primo Trecento, che erano stati usati come riempimento leggero delle volte del coro di San Domenico.