Istituito dalla Fabbriceria di San Petronio, documenta sei secoli di storia della basilica, attraverso paramenti sacri dal '500 al '700, oreficerie dei secoli XIII-XVIII, codici e antifonari miniati. Notevole la collezione dei progetti per il completamento della facciata opera di celebri architetti (il Peruzzi, Giulio Romano, il Vignola, il Palladio, il Terribilia e Collamarini). Ospita inoltre alcuni strumenti usati per la costruzione nella Basilica (1655) della meridiana Cassini, ancor oggi la più lunga al mondo, che consentì la dimostrazione sprimentale delle teorie di Keplero