La sede è all'interno del Duomo, nella Sagrestia dei Beneficiati e nella cripta della chiesa di San Michele. Sono esposti paramenti del XIX-XX secolo, arredi di diverse epoche e alcuni reliquari, fra i quali quello di San Sebastiano e San Biagio. Sono anche presenti gli ori dell'Assunta, piccola rassegna delle fogge dei preziosi in uso a Sassari dal XVII al XIX secolo.

Sono di particolare pregio gli argenti liturgici dal XVII al XIX secolo e degli inizi del XIX secolo, i tre crocifissi eburnei della metà XVII-inizi XVIII secolo e l'imponente trono eucaristico rococò.

La seconda sezione del Museo Diocesano, ospitata nella vicina chiesa di San Michele, accoglie dipinti dal XVI al XVIII secolo e sculture lapidee dal XVII al XIX secolo. Al centro della navata è collocato il letto della Vergine Assunta, imponente macchina architettonica, sculturea e pittorica, composta da oltre 30 elementi lignei scolpiti, dorati e policromati, nel gusto teatrale e scenografico del Seicento e nella figurazione della Dormitio Virginis, secondo la rappresentazione di origine bizantina dell'Assunta come Vergine Dormiente.