Il museo fu realizzato da Gianvittorio Castelnovi nel 1959 per esporre quelle opere d'arte che per le trasformazioni subite dal complesso non avevano più una loro collocazione. Rinnovato e ampliato nel 2001, il museo raccoglie in dodici sale del convento reperti archeologici che testimoniano la storia più antica della città, dal II secolo fino al tardo medioevo, oltre alle opere d'arte di pertinenza della stessa chiesa, raccolte dai Domenicani a partire dal loro insediamento nel 1442 ed una raccolta di icone russe dell'Ottocento e del Novecento donate al convento da Enrico di Rovasenda.

Sono esposti marmi di varie epoche, dipinti, reliquiari, paramenti ed oggetti per uso liturgico, codici miniati, ex-voto (legati alla devozione per il Cristo Moro), ed inoltre quadri ed oggetti di uso quotidiano provenienti da monasteri soppressi delle suore domenicane.

Tra le principali opere d'arte, la pala di Ognissanti di Ludovico Brea (1513), il polittico della Conversione di San Paolo, della scuola dello stesso Brea, la Madonna col Bambino di Domenico Gagini, in marmo dipinto (XV secolo), e la statua lignea dell'Immacolata del Maragliano (XVIII secolo).

L'annessa biblioteca contiene codici e incunaboli di notevole interesse, oltre ad un affresco raffigurante San Domenico che ritrova i suoi frati in Paradiso, opera di Carlo Braccesco, risalente a fine Quattrocento.