O patrimônio do museu foi organizado por Tito Azzolini em 1894 em dois ambientes no térreo da Fabricação da Basílica de San Petronio, onde no século XVI havia sido exposto o núcleo original da coleção formado pelos projetos para a conclusão da fachada propostos por Peruzzi, Giulio Romano, Vignola, Cristoforo Lombardi, Domenico Tibaldi, Palladio e Terribilia.
Na mesma seção foram reunidos o modelo em madeira de Arriguzzi de 1513, os dois modelos em madeira e estuque para a abóbada central, executados por Floriano Ambrosini em 1592. Além da documentação sobre o canteiro de obras de San Petronio, o museu conserva obras de arte, objetos litúrgicos, gradui e antifonários iluminados.
De particular valor, os corais de Martino da Modena, G.B. Cavalletti e Taddeo Crivelli (séculos XV – XVI); quatro relevos de Properzia de Rossi (1525), a estátua em mármore de ‘S. Procolo’, atribuída na parte superior a Alfonso Lombardi, e os instrumentos para o relógio de sol de Cassini (1655), restaurado por Eustachio Zanotti.
Entre as ourivesarias mais interessantes destacam-se dois cofres da oficina dos Embriachi (século XV) e uma cruz astil em prata repuxada do boleense Battista del Gambaro (1547), além de preciosos relicários, entre os quais o Relicário de Santa Rosália e de Santo Antônio de Pádua. No primeiro andar da Fabricação encontra-se o arquivo da célebre Capela Musical de S. Petronio, com manuscritos do século XVI ao século XIX. No segundo andar conservam-se duas tábuas de Simone dei Crocefissi, fragmentos de afrescos e uma planta da basílica atribuída a Arriguzzi.
