Està instal·lat a les dependències annexes al Claustre, algunes dels segles XII-XIII, entre les que destaquen l'antiga sala capitular i l'antic refectori de la Canònica, cobert amb volta de canó apuntada. Farem referència a l'enteixinat gòtic mudèjar de mitjans del s. XIV de la sala del Tresor, amb policromia de temes heràldics, geomètrics i figuratius. Hi destaquen especialment les col·leccions d'art religiós d'època medieval i moderna procedents de Tarragona i de la seva diòcesi: retaules, escultures de pedra o tallades en fusta, orfebreria, forja, tèxtil, ceràmica, etc. Una part de les col·leccions lapidàries es guarda a la capella de Santa Tecla la Vella.

Al Museu Diocesà, també trobem elements arqueològics dels primers segles del cristianisme entre els quals destaca una gerreta litúrgica de bronze del segle VII trobada en una tomba, a l’àrea de la Catedral. També a la façana de la Catedral es troba encastat un magnífic sarcòfag paleocristià, d’inicis del segle V, anomenat de Betesda.