Les locaux du musée se trouvent dans l’ancienne Spedale Nuovo, construite au milieu du XIIIe siècle par le pape Alexandre IV comme un «pellegrinaio» (refuge pour les pèlerins) afin d’enregistrer la réconciliation entre Pise et le Saint-Siège. Nous devons la Spedale à Giovanni di Simone, considéré par certains comme l’architecte du cimetière monumental.

Le bâtiment a fait partie de l'hôpital jusqu'en 1969, date à laquelle il a été décidé de le rénover et de l'utiliser comme local pour le Museo delle sinopie. Le 27 juillet 1944, une grenade tirée par une artillerie américaine met le feu au toit du Camposanto. Du plomb fondu coulait sur les fresques des murs. À l'époque, on pensait que le seul remède pour sauver ces peintures était de les enlever des murs. Cette opération a révélé les sinopies, c'est-à-dire les dessins préparatoires à l'ocre rouge sous les fresques. En raison de leur vulnérabilité, ils ont également été dépouillés des murs et intégrés dans le nouveau musée conçu, préparé et organisé par Giovanna Piancastelli Politi, Gaetano Nencini et Antonino Caleca.

Il s'agit de la plus grande collection de dessins médiévaux au monde. On y voit l’artiste travailler en pleine créativité. Dans de nombreux endroits, plusieurs mains peuvent être distinguées, même lorsque le résultat final est de style uniforme, par exemple dans la crucifixion attribuée à Francesco Traini (1335) et dans le cycle du Triomphe de la mort, du Jugement dernier et de la Thébe, probablement l'œuvre de Buffalmacco. Les dessins préparatoires (sinopies) de cycles ultérieurs (fin des années 1300 à 1400), tels que Les histoires de Job de Taddeo Gaddi, Les histoires de Saint-Ranier d’Andrea Bonaiuti et Histoires de l’Ancien Testament de Benozzo Gozzoli sont également exposés dans les musée.