Il patrimonio del museo fue ordenado por Tito Azzolini en 1894 en dos ambientes en la planta baja de la Fabbricería de la Basílica de San Petronio, donde en el siglo XVI se había expuesto el núcleo originario de la colección constituido 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 de madera del 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 miniados.
De particular valor 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’, debida en la parte superior a Alfonso Lombardi, y los instrumentos para el meridiano del Cassini (1655), restaurada 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 cuales el Reliquiario de Santa Rosalía y de San Antonio de Padua. En el primer piso de la Fabbricería se encuentra el archivo de la célebre Capilla Musical de S. Petronio, con manuscritos desde el siglo XVI hasta el siglo XIX. En el segundo piso se conservan dos tablillas de Simone dei Crocefissi, fragmentos de frescos y un plano de la basílica atribuido al Arriguzzi.
