En el Museo Catedralicio se conservan solamente obras procedentes de la propia catedral. Sus espacios se reparten entre el claustro, la sala capitular y otras dependencias. Entre las numerosas piezas de prácticamente todas las épocas y estilos, las más señeras son:

 - Una píxide esmaltada, románica, del siglo XIII.

  - La anamorfosis de Carlos I.

 - Relieve del Descendimiento, de Felipe Vigarny, que lo esculpió para el retablo mayor, aunque nunca fue colocado.

 - Díptico del Calvario y la Piedad, excelente pintura de Pedro Berruguete.

 - Escultura de Santa Ana Triple, obra maestra de Alejo de Vahía, de hacia 1510.

 - Cáliz renacentista, siglo XVI, obra de orfebres germánicos, regalado por el emperador Carlos V a la catedral.

 - Los Desposorios de Santa Catalina, gran cuadro de altar obra de Mateo Cerezo, siglo XVII, muy similar a uno conservado en el Museo del Prado del mismo tema y autor.

 - Custodia procesional en plata, renacentista, obra de Juan de Benavente, 1585.

 - El Martirio de san Sebastián, obra firmada de El Greco, una de sus pinturas más destacadas, y sin duda una de las obras maestra de cuantas guarda la Catedral. Este cuadro, en estos momentos se encuentra en Toledo.