Le patrimoine du musée fut organisé par Tito Azzolini en 1894 dans deux salles au rez-de-chaussée de la Fabbriceria de la Basilique de San Petronio, où au XVIe siècle était exposé le noyau originel de la collection constitué des projets pour l’achèvement de la façade proposés par Peruzzi, Giulio Romano, Vignola, Cristoforo Lombardi, Domenico Tibaldi, Palladio et Terribilia.
Dans la même section furent réunis le modèle en bois d’Arriguzzi de 1513, les deux modèles en bois et stuc pour la voûte centrale, réalisés par Floriano Ambrosini en 1592. En plus de la documentation sur le chantier de San Petronio, le musée conserve des œuvres d’art, des objets liturgiques, des graduels et des antiphonaires enluminés.
Particulièrement précieux sont les chorals de Martino de Modène, G.B. Cavalletti et Taddeo Crivelli (XVe-XVIe siècles) ; quatre reliefs de Properzia de Rossi (1525), la statue en marbre de « S. Procolo », due pour la partie supérieure à Alfonso Lombardi, ainsi que les instruments pour le cadran solaire de Cassini (1655), restauré par Eustachio Zanotti.
Parmi les orfèvreries les plus intéressantes, on signale deux coffres de l’atelier des Embriachi (XVe siècle) et une croix d’autel en argent repoussé du Bolognais Battista del Gambaro (1547), ainsi que des reliquaires précieux, parmi lesquels le Reliquaire de Sainte Rosalie et de Saint Antoine de Padoue. Au premier étage de la Fabbriceria se trouve les archives de la célèbre Chapelle Musicale de S. Petronio, avec des manuscrits du XVIe au XIXe siècle. Au deuxième étage sont conservées deux tablettes de Simone dei Crocefissi, des fragments de fresques et un plan de la basilique attribué à l’Arriguzzi.
