Dedicato alla famiglia Albani, per la sua generosità verso la Cattedrale, il museo ospita, nella Sagrestia Nuova, preziose suppellettili, reliquiari, calici, pissidi, pastorali, ceramiche, porcellane, cristalli e candelieri.

Nella Sagrestia Vecchia e nelle varie sale sono esposti alcuni dipinti, maioliche rinascimentali, oggetti di culto e di oreficeria romana del XVIII sec., nonché tavole e tele dal XV al XVIII sec. che, in parte, provengono dalle chiese del territorio urbinate.

Tra le principali opere d'arte esposte nel Museo figurano:

Il leggio di Federico III da Montefeltro, che si trovava nella biblioteca del Duca all'interno di Palazzo Ducale. Proveniva dal bottino di guerra derivante dal Sacco di Volterra del 1472; opera probabile dell'artigianato inglese della prima metà del XV secolo. In seguito alla devoluzione del Ducato il leggio, assieme alla biblioteca, fu portato a Roma per volere di Papa Alessandro VII; ma tornò in Urbino come dono di Clemente XI al Capitolo Metropolitano, agli inizi del XVIII secolo, per essere collocato nel coro della cattedrale.

Il candelabro bronzeo realizzato probabilmente da Francesco di Giorgio Martini, nella seconda metà del XV secolo. Dono dei duchi di Urbino alla cattedrale cittadina, come testimoniano alcuni simboli legati al duca Federico III da Montefeltro, scolpiti sulla base del candelabro.

Varie opere di pittori locali come Timoteo Viti (maestro e collaboratore di Raffaello Sanzio), Girolamo Cialdieri e altri pittori barocceschi.

Gli sfarzosi arredi liturgici e paramenti sacri, per la gran parte doni dei membri di Casa Albani. Oltre ad una cospicua collezione di codici miniati e una raccolta di affreschi staccati del XV secolo di Antonio Alberti da Ferrara, ritrovati nella chiesa di San Domenico, e del Battista Franco, ritrovati nella cattedrale durante i recenti lavori di restauro.