Ha sede nelle dipendenze annesse al Chiostro, alcune delle quali risalgono ai secoli XII-XIII e tra le quali spiccano l'antica sala capitolare e l'antico refettorio della Canonica, sovrastato da una volta a botte appuntita.

È opportuno segnalare il soffitto a cassettoni gotico mudéjar, della metà del XIV secolo, che si trova nella sala del Tesoro, con una policromia che richiama temi araldici, geometrici e figurativi. In questo museo sono particolarmente notevoli le collezioni d’arte religiosa di epoca medievale e moderna proveniente da Tarragona e dalla sua diocesi: retabli, sculture in pietra o incavate su legno, oreficeria, oggetti forgiati, tessuti, ceramiche, ecc. Una parte delle collezioni lapidarie è conservata nella cappella di Santa Tecla la Vella.

Nel Museo Diocesano troviamo anche elementi archeologici dei primi secoli del cristianesimo, tra i quali risalta una piccola brocca liturgica di bronzo del secolo VII trovata in una tomba, nella zona della Cattedrale. Sempre sulla facciata della Cattedrale si trova un magnifico sarcofago paleocristiano, dell'inizio del secolo V, che riceve il nome di sarcofago di Betesda.