Ubicato nelle sale attigue alla Basilica di Santa Maria, il museo è suddiviso in tre sezioni principali che raccolgono i manoscritti miniati, le oreficerie, i paramenti sacri e altri arredi connessi alla storia della basilica, destinataria nel corso dei secoli di ricche donazioni, anche di provenienza granducale. La sezione degli argenti è ospitata nella Sala Silvani, dove sono esposti preziosi oggetti di argenteria e oreficeria, molti dei quali raggruppati in serie omogenee.

Fra i pezzi più significativi sono da segnalare: una croce astile in lamina d'argento parzialmente dorato e smaltato, attribuita a Lorenzo Ghiberti (1425 ca.); due paci d'argento attribuite ad Antonio di Salvi (1515); e il nucleo di oggetti in cristallo di rocca, quattro candelieri con portacroce e croce, donati alla Vergine dell'Impruneta da Cristina di Lorena nel 1633. Sulla parete sinistra della stessa sala si trova il bassorilievo quattrocentesco raffigurante Il ritrovamento dell'immagine della Madonna, che evoca l'episodio da cui ha tratto origine la devozione per la Madonna dell'Impruneta.