Il Museo Diocesano si trova nella navata di sinistra e riunisce tutti i documenti, le testimonianze e i progetti (compreso quello in legno di Arduino degli Arriguzzi) che riguardano la costruzione della basilica nel corso dei secoli, partendo dai primi progetti. Inoltre qui si può ammirare il tesoro di San Petronio, di cui fanno parti il reliquiario di Sant’Antonio da Padova, dei corali miniati e degli oggetti di oreficeria sacra risalenti al XIII secolo.