Das Museum befindet sich in den an den Kreuzgang grenzenden Räumen, einige davon aus dem 12. - 13. Jahrhundert. Der antike Kapitelsaals und das ehemalige Refektorium des Kanonikats mit einem zulaufenden Tonnengewölbe sind hier besonders auffallend. Wir weisen auch auf die Mudejar-Täfelung aus dem 14. Jahrhundert und die Schatzkammer mit gut erhaltenen heraldischen, geometrischen und figürlichen Malereien hin. Etwas besonderes sind die Sammlungen religiöser Kunst aus dem Mittelalter und der moderneren Zeit aus Tarragona und ihrer Diözese: Altarbilder, Skulpturen aus Stein oder Holz, Goldschmiedekunst, Schmiedekunst, Textilien, Keramik etc. Ein Teil der Edelsteinsammlungen wird in der Kapelle de Santa Tecla la Vella aufbewahrt.

Das Diözesan-Museum beherbergt auch archäologische Elemente, die auf das erste Jahrhundert des Christentums zurückgehen. Dazu gehört unter anderem ein kleiner liturgischer Krug aus Bronze aus dem 7. Jahrhundert, der in einem Grab im Bereich der Kathedrale gefunden wurde. In die Fassade eingelassen ist ein herrlicher Bethesda-Sarkophag aus frühchristlicher Zeit, er stammt aus dem 5. Jahrhundert.