El patrimonio del museo fue organizado por Tito Azzolini en 1894 en dos ambientes en la planta baja de la Fabbriceria de la Basílica de San Petronio, donde en el siglo XVI se había expuesto el núcleo originario de la colección compuesto por los proyectos para la finalización de la fachada propuestos por Peruzzi, Giulio Romano, Vignola, Cristoforo Lombardi, Domenico Tibaldi, Palladio y Terribilia.
En la misma sección confluyeron el modelo en madera de Arriguzzi de 1513, los dos modelos en madera y estuco para la bóveda central, ejecutados por Floriano Ambrosini en 1592. Además de la documentación sobre el taller de San Petronio, el museo conserva obras de arte, objetos litúrgicos, graduales y antifonarios iluminados.
De particular valor son los corales de Martino da Modena, G.B. Cavalletti y Taddeo Crivelli (siglos XV -XVI); cuatro relieves de Properzia de Rossi (1525), la estatua en mármol de ‘S. Procolo’, atribuida en la parte superior a Alfonso Lombardi, y los instrumentos para el reloj de sol de Cassini (1655), restaurados por Eustachio Zanotti.
Entre las orfebrerías más interesantes se destacan dos cofres del taller de los Embriachi (siglo XV) y una cruz astil en plata repujada del boloñés Battista del Gambaro (1547), además de preciosos relicarios, entre los que se encuentra el Relicario de Santa Rosalía y de San Antonio de Padua. En la primera planta de la Fabbriceria se encuentra el archivo de la célebre Capilla Musical de S. Petronio, con manuscritos desde el siglo XVI hasta el XIX. En la segunda planta se conservan dos tablas de Simone dei Crocefissi, fragmentos de frescos y un plano de la basílica atribuido a Arriguzzi.
