Il patrimonio del museo fu ordinato da Tito Azzolini nel 1894 in due ambienti al piano terreno della Fabbriceria della Basilica di San Petronio, dove nel XVI secolo era stato esposto il nucleo originario della collezione costituito dai progetti per il completamento della facciata proposti da Peruzzi, Giulio Romano, Vignola, Cristoforo Lombardi, Domenico Tibaldi, Palladio e Terribilia. Nella stessa sezione confluirono il modellino ligneo dell'Arriguzzi del 1513, i due modelli in legno e stucco per la volta centrale, eseguiti da Floriano Ambrosini nel 1592. Oltre alla documentazione sul cantiere di San Petronio, il museo conserva opere d'arte, oggetti liturgici, graduali e antifonari miniati.Di particolare pregio i corali di Martino da Modena, G.B. Cavalletti e Taddeo Crivelli (secc. XV -XVI); quattro rilievi di Properzia de Rossi (1525), la statua in marmo di 'S. Procolo', dovuta per la parte superiore ad Alfonso Lombardi, e gli strumenti per la meridiana del Cassini (1655), restaurata da Eustachio Zanotti. Tra le oreficerie più interessanti si segnalano due cofani della bottega degli Embriachi (sec. XV) e una croce astile in argento sbalzato del bolognese Battista del Gambaro (1547), oltre a preziosi reliquiari, fra i quali il Reliquiario di Santa Rosalia e di Sant'Antonio da Padova. Al primo piano della Fabbriceria si trova l'archivio della celebre Cappella Musicale di S. Petronio, con manoscritti dal Cinque all'Ottocento. Al secondo piano si conservano due tavolette di Simone dei Crocefissi, frammenti di affreschi e una pianta della basilica attribuita all'Arriguzzi.