Está instalado en las dependencias anexas al Claustro, algunas de los siglos XII-XIII, entre las cuales destacan la antigua sala capitular y el antiguo refectorio de la Canónica, cubierto con bóveda de cañón apuntada. Haremos referencia al artesonado gótico mudéjar de mediados del s. XIV de la sala del Tesoro, con policromía de temas heráldicos, geométricos y figurativos. Destacan especialmente las colecciones de arte religioso de época medieval y moderna procedentes de Tarragona y de su diócesis: retablos, esculturas de piedra o talladas en madera, orfebrería, forja, textil, cerámica, etc. Una parte de las colecciones lapidarias se guarda en la capilla de Santa Tecla la Vieja.

En el Museo Diocesano también encontramos elementos arqueológicos de los primeros siglos del cristianismo, entre los que destaca una pequeña jarra litúrgica de bronce del siglo VII hallada en una tumba, en la zona de la Catedral. También en la fachada de la Catedral se encuentra alojado un magnífico sarcófago paleocristiano, de inicios del siglo V, que recibe el nombre de sarcófago de Betesda.