Il museo è ospitato al piano nobile del Palazzo vescovile (XII - XVIII secolo), che al suo interno conserva gli appartamenti dei papi Pio VII e Pio IX, con le decorazioni e l'arredamento dell'epoca.

Il Museo è costituito da sei sale, in cui sono conservati arredi, opere d'arte e suppellettile liturgica. Di particolare rilievo:

- Madonna con Gesù Bambino e il committente, Dominus Petrus de Zizis, detta Madonna di Mazzolano, di Lorenzo Veneziano (XIV secolo).
- Santa Caterina d'Alessandria e un santo vescovo, attribuito a Vitale da Bologna (XIV secolo).
- Madonna con Gesù Bambino e santi (1516), di Innocenzo da Imola;
- San Rocco e san Cassino, dipinti su rame, di Bartolomeo Cesi (pittore).
- due leoncini e due allegorie delle Virtù, d'epoca romanica, provenienti dalla Cattedrale di San Cassiano.
- corali miniati (XIV secolo), di Niccolò da Modena.
- due carrozze (XVIII secolo) donate dal cardinale Barnaba Chiaramonti, vescovo di Imola (1785 - 1816) e poi papa Pio VII.