La présence stratifiée de fortifications préromaines, romaines et byzantines, jusqu’à la construction, entre les IXe et Xe siècles, du palais épiscopal, a marqué cette zone comme siège du pouvoir militaire et religieux. L’édifice actuel de Santa Maria di Castello est la basilique romane à trois nefs avec transept et trois absides, édifiée au premier quart du XIIe siècle par des artisans de style antélamiche.
L’aspect primitif de l’église a été partiellement modifié par des restructurations aux XVe et XVIe siècles. Dès la seconde moitié du XVIIe siècle, en même temps qu’un affaiblissement sérieux, tant numérique qu’économique, des Dominicains, des aliénations et transformations se sont succédé, souvent motivées par la nécessité de louer des parties du couvent, tandis qu’en l’église on continuait à décorer certaines chapelles. Dans la première moitié du XIXe siècle, le couvent était dans un état de délabrement, aggravé en 1859 par l’occupation des troupes de l’armée sarde-piémontaise et par l’expulsion des frères suite à l’application de la loi Cavour-Rattazzi qui, en 1855, avait supprimé les corporations religieuses : en partie confisqué par l’État, le couvent fut intégré dans un programme de spéculation immobilière qui s’est réalisé en 1870 avec la surélévation du premier et du troisième cloître, transformés en immeubles d’appartements.
L’idée de construire un musée à Santa Maria di Castello naît du besoin d’exposer de nombreuses œuvres qui, suite aux transformations de l’église et du couvent, étaient restées sans emplacement précis ou n’étaient pas visibles au public. Un premier musée fut réalisé par Gianvittorio Castelnovi en 1959.
En janvier 2001, 12 nouvelles salles ont été inaugurées, rassemblant sur 400 m² les meubles et les différentes collections provenant non seulement de Santa Maria di Castello, mais aussi d’autres couvents et monastères dominicains.
