Il Museo di arte sacra "Andrea Guardi" ha sede in parte del convento e vi si accede dal chiostro, probabilmente dove si trovava la Sala Capitolare.

Il grosso del museo è costituito dalle opere di Andrea Guardi artista fiorentino quattrocentesco, molto attivo a Piombino, ma non mancano oggetti da altri luoghi di culto del Piombinese (Val di Cornia), come da Suvereto e altri luoghi limitrofi, e opere ed arredi provenienti dalla Concattedrale stessa. Nel museo son conservati dipinti (pale provenienti da Populonia), sculture lignee ed in marmo e gli oggetti di uso liturgico (calici, paramenti, ecc.) e antichi ostensori.

In una delle sue sale è l'affresco rinvenuto nel 1996 raffigurante la Vergine con Bambino e santi, molto lacunoso, ma importante testimonianza pittorica del secolo XV, probabilmente da porre in relazione con un altro dipinto ad affresco con la Madonna del lattenella sala consiliare del Comune. L'interesse dell'affresco di Sant'Antimo nasce dalla particolarità iconografica, sembrando la Vergine la riproduzione di una più antica immagine, forse la Vergine di Falesia.