A presença estratificada de fortificações pré-romanas, romanas e bizantinas, até a edificação, entre os séculos IX e X, do palácio episcopal, marcou esta área como sede do poder militar e religioso. O atual edifício de Santa Maria di Castello é a basílica românica de três naves com transepto e três absides construída no primeiro quarto do século XII por mestres antelâmicos.
A aparência primitiva da igreja foi parcialmente alterada pelas reformulações dos séculos XV e XVI. A partir da segunda metade do século XVII, coincidindo com um grave enfraquecimento numérico e econômico dos Dominicanos, alternaram-se alienações e transformações frequentemente devido à necessidade de alugar áreas do convento, enquanto na igreja continuou-se a providenciar a decoração de algumas capelas. Na primeira metade do século XIX, o convento encontrava-se em estado de degradação, que se agravou em 1859 com a ocupação das tropas do exército sardo-piemontês e com a expulsão dos frades em consequência da aplicação da lei Cavour-Rattazzi que em 1855 havia suprimido as corporações religiosas: em parte incautado pelo Estado, o convento foi incluído em um programa de especulação imobiliária que ocorreu em 1870 com a elevação do primeiro e do terceiro claustros, transformados em edifícios de apartamentos.
A ideia de construir um museu em Santa Maria di Castello nasce da necessidade de expor muitas obras que, após as transformações da igreja e do convento, ficaram sem uma localização precisa ou não estavam visíveis ao público. Um primeiro museu foi realizado por Gianvittorio Castelnovi em 1959.
Em janeiro de 2001 foram inauguradas 12 novas salas que reúnem em 400 m² os móveis e as diversas coleções provenientes não só de Santa Maria di Castello, mas também de outros conventos e mosteiros dominicanos.
