Il museo d'arte sacra di Grosseto lo si può considerare come un museo in un museo: occupa infatti la quarta sezione del museo archeologico e d'arte della Maremma ed è costituito dalle sale dalla numero 24 alla numero 34. Il percorso espositivo inizia con la collezione di monsignor Antonio Cappelli, per poi continuare con le opere dal XIII al XX secolo provenienti in buona parte dal duomo di Grosseto, ma anche da varie località del territorio diocesano. Alcuni pezzi provengono dal vecchio museo civico di Grosseto fondato nel 1860.
Le prime tre sale del museo diocesano (24, 25 e 26/1) conservano al loro interno le opere che provengono dalla collezione Cappelli. La prima opera che si incontra è un ritratto del Cappelli realizzato da Antonio Salvetti nel 1929, unica immagine che ci resta del religioso, qui dipinto all'età di sessantuno anni all'interno della cattedrale. Tra le opere più interessanti di questa collezione sono da ricordare una Crocifissione con la Madonna, i santi Gerolamo, Andrea e Francesco e il donatore Francesco Maria Piccolomini (1583) di Alessandro Casolani, proveniente dal Palazzo Piccolomini Patrizi di Siena; frammenti di una tavola d'altare del XV secolo raffiguranti sant'Antonio abate e san Gerolamo, quest'ultimo possibile opera di Sano di Pietro; una tela con santa Cecilia, opera di Bernardino Mei della metà del XVII secolo; un san Pio V (1712) di Luigi Garzi.
Le sale dalla numero 26/2 alla numero 29 espongono una collezione di varie opere pittoriche e scultoree dal XIII al XVIII secolo, tra cui interessanti dipinti della pittura medievale. I principali pezzi di questa sezione sono, senza dubbio, il Giudizio finale di Guido da Siena, proveniente dalla chiesa della Misericordia di Grosseto, databile intorno al 1280 circa, e la celebre Madonna delle ciliegie del Sassetta, proveniente dalla cattedrale di San Lorenzo e databile tra il 1440 e il 1450, tra le opere d'arte più amate dalla cittadinanza grossetana. Tra i dipinti successivi, sono da ricordare la Madonna in gloria con i santi Rocco, Lorenzo, Sebastiano e Cipriano, e veduta della città di Grosseto (1630) di Ilario Casolani, proveniente dal duomo, e la Madonna del Carmine (1648) di Giacinto Gimignani.
Le ultime cinque sale del museo diocesano (30, 31, 32, 33, 34) raccolgono ed espongono al visitatore vari arredi liturgici e paramenti sacri, provenienti in buona parte dalla cattedrale di San Lorenzo, ma anche dalla chiesa di San Pietro e dalle chiese di Campagnatico, Istia d'Ombrone e Sticciano. Tra le opere qui conservate si ricordano un interessante reliquiario di San Lorenzo in rame dorato del XIV secolo, ed una pisside del 1370-1380, firmata da Andrea del Maestro Michele; un copricalice con ostensorio e due figure di beati dell'Ordine dei Gesuiti del XVI secolo; altri oggetti come pianete, stole, calici, navicelle portaincenso, turiboli, coppe, pissidi e sportelli di tabernacoli decorati. Tra i pezzi di maggior rilievo vi sono un calice e una patena in argento dorato di Jean Baptiste Famechon, del 1811-1813, donato a monsignor Fabrizio Selvi da Napoleone I, un reliquiario del velo della Madonna (1817) di Giuseppe Coppini, ed una interessante collezione di libri e corali antichi.
