El edificio que alberga el museo fue construido como residencia de los canónigos atestiguados desde el siglo IX. El claustro estaba terminado a mediados del siglo XIII, pero no así la rectoría. A lo largo de los siglos el edificio fue destinado a diferentes usos, hasta ser utilizado como convento de las monjas de clausura, lo que comportó notables transformaciones. La restauración arquitectónica efectuada en los años 80 del siglo XX permitió reconocer las estructuras más antiguas.
La colección del museo es particularmente representativa de la floreciente producción escultórica en Pisa entre los siglos XI y XIV, y también de la significativa práctica de la reutilización de materiales romanos en los edificios de la Plaza de la Catedral. Estos materiales están recopilados en el museo, donde se pueden admirar al lado de las obras de los escultores románicos y góticos activos en las obras de la Catedral.
A Nicola Pisano y a su taller, en especial a Giovanni, se deben las esculturas procedentes del Baptisterio y de la fachada de la Catedral (en los edificios han sido sustituidas por copias). Al sienés Tino di Camaino, que dirige las obras tras el alejamiento de Giovanni, pertenece un nutrido grupo de obras, entre ellas el célebre grupo del patio del emperador Arrigo VII, que atestigua las tumultuosas vicisitudes políticas de Pisa en el siglo XIV.
Entre las esculturas destaca además el monumental crucifijo de madera de producción francesa del siglo XII, parte de una Deposición, cuya presencia es rara en Italia. En el museo se conservan además códigos miniados de uso litúrgico, datados entre los siglos XII y XV, y los objetos pertenecientes al Tesoro de la Catedral, entre ellos relicarios de esmalte de Limoges y marfil, paramentos sagrados, tejidos preciosos y la célebre estatuilla ebúrnea de Giovanni Pisano.