L’edificio che ospita il museo fu costruito come abitazione dei canonici attestati fin dal IX secolo. Il chiostro era finito alla metà del Duecento, mentre non lo era ancora la canonica. Nel corso dei secoli l’edificio fu destinato ad usi diversi, fino ad essere utilizzato come convento delle suore di clausura, il che comportò notevoli trasformazioni. Il restauro architettonico eseguito negli anni ottanta del Novecento consente di riconoscere le strutture più antiche.

La collezione del museo è particolarmente rappresentativa della fiorente produzione scultorea a Pisa tra XI e XIV secolo, ma anche della significativa pratica del reimpiego di materiali romani negli edifici della piazza del duomo. Questi materiali sono confluiti nel museo, dove si possono ammirare accanto alle opere degli scultori romanici e gotici attivi nel cantiere del duomo.

A Nicola Pisano e alla sua bottega, in particolare a Giovanni, si devono le sculture provenienti dal battistero e dalla facciata della cattedrale (negli edifici sono state sostituite da copie). Al senese Tino di Camaino, che dirige il cantiere dopo l’allontanamento di Giovanni, appartiene un nutrito gruppo di opere, tra cui il celebre gruppo del corteo dell’imperatore Arrigo VII, che attesta le tumultuose vicende politiche di Pisa nel Trecento.

Tra le sculture si segnala inoltre il monumentale crocifisso ligneo di produzione francese del XII secolo, parte di una Deposizione, la cui presenza è rara in Italia. Nel museo si conservano inoltre codici miniati di uso liturgico, datati tra XII e XV secolo, e gli oggetti appartenenti al Tesoro del duomo, tra cui reliquiari in smalto di Limoges e avorio, paramenti sacri tessuti preziosi e la celebre statuetta eburnea di Giovanni Pisano.