Ha sede nel complesso della basilica di Santo Stefano, allestito in quattro sale che terminano con la cappella della Benda. Inaugurato nel 1916, fu sistemato da Francesco Malaguzzi Valeri originariamente nel refettorio. In seguito a lavori di risistemazione, dal 1999 ha assunto la veste attuale, ospitando paramenti sacri e reliquiari, dipinti e affreschi di scuola bolognese, veneta e toscana tra il XIII e il XVIII secolo (Simone de’ Crocifissi, Michele di Matteo, Alessandro Tiarini), e il reliquiario della testa di San Petronio, magnifica opera di oreficeria eseguita nel 1380 da Jacopo Roseto.Nella prima sala si susseguono bassorilievi di epoche diverse, statue, capitelli. Nella seconda sala, riservata ai fondi oro, tavole e affreschi staccati dei secoli XIV-XVI, si hanno opere di Michele di Matteo, Simone de Crocefissi ('Gruppo dei Magi' e 'Crocifisso'), Jacopo di Paolo, Giovanni di Zoanello e una 'Madonna col Bambino' attribuita a Lippo di Dalmasio. Nella terza sala sono esposte tele e pale d'altare dei secoli XVII e XVIII, fra le quali spiccano opere di Alessandro Tiarini ('San Martino resuscita il figlio della vedova') Caccianemici, Ansaloni. Di qui si accede al "Tesoro di Santo Stefano": due piccole stanze con raccolte di oreficerie sacre e reliquiari, fra cui quello di S. Petronio di Jacopo da Roseto (1380), reliquie della Santa Croce del XVII secolo, reliquia della Benda del XVII secolo, e altri reliquiari, calici, pissidi, candelieri, croci astili, ostensori, tutti dei secoli XVII-XIX. La quarta sala (Cappella della Benda) conserva il 'Sancta Sanctorum' (sec. XVI-XVIII) col reliquiario in legno di San Floriano (sec. XVIII), paramenti sacri (sec. XVIII) fra i quali la mitria di Sant'Isidoro, e un affresco staccato del XIII secolo: la 'Strage degli innocenti' di Berlinghiero da Lucca. E’ annesso al museo un Laboratorio di Restauro di oreficeria, libri, paramenti e arredi sacri in genere.