Il museo nasce dopo i restauri del complesso monumentale di Santo Stefano alla fine dell'800, Come sede fu adibito l'antico Refettorio del Monastero Benedettino. Il museo si compone di 2 sale per complessivi 150 metri quadrati di superficie espositiva.

Nella prima sala, quella che occupa l'antica Sala del Capitolo, si trovano opere di Jacopo di Paolo, di Vitale da Bologna, di Lippo di Dalmasio, di Simone Dè Crocifissi (come la tempera "Crocifissione e quattro santi"), di Michele di Matteo e un olio su tavolo raffigurante la "Madonna con il Bambino e San Giovannino" attribuito a Innocenzo da Imola (XVI secolo).

La seconda sala, quella che occupa la seicentesca Cappella della Benda, ospita reliquiari (tra cui quello del capo di San Petronio, una magnifica opera di oreficeria eseguita nel 1380 da Jacopo Roseto e quello della "Benda della Vergine" del 1626), statue, bassorilievi e tele dei secoli XVII e XVIII fra le quali spiccano la "SS. Trinità" di Orazio Samacchini e il "San Martino resuscita il figlio della vedova" di Alessandro Tiarini. Inoltre un affresco duecentesco con la "Strage degli Innocenti" di Borlinghiero da Lucca che faceva parte di un ciclo che originariamente ricopriva tutta la cupola del Sepolcro.