La presenza stratificata de fortificaciones prerromanas, romanas y bizantinas, hasta la edificación, entre los siglos IX y X, del palacio episcopal, caracterizó esta área como sede del poder militar y religioso. El edificio actual de Santa María de Castello es la basílica románica de tres naves con transepto y tres ábsides edificada en el primer cuarto del siglo XII por talleres antelámicos.
El aspecto primitivo de la iglesia ha sido en parte alterado por las remodelaciones de los siglos XV y XVI. Desde la segunda mitad del siglo XVII, coincidiendo con un grave debilitamiento numérico y económico de los Dominicos, se alternaron enajenaciones y transformaciones frecuentemente debidas a la necesidad de alquilar zonas del convento, mientras que en la iglesia se continuó con la decoración de algunas capillas. En la primera mitad del siglo XIX el convento se encontraba en un estado de degradación, que se agravó en 1859 con la ocupación de las tropas del ejército sardo-piamontés y con la expulsión de los frailes a consecuencia de la aplicación de la ley Cavour-Rattazzi que en 1855 había suprimido las corporaciones religiosas: en parte incautado por el Estado, el convento fue incluido en un programa de especulación inmobiliaria que se realizó en 1870 con la sobre elevación del primer y tercer claustro, transformados en edificios de apartamentos.
La idea de construir un museo en Santa María de Castello nace de la necesidad de exponer muchas obras que, tras las transformaciones de la iglesia y el convento, habían quedado sin una ubicación precisa o no eran visibles al público. Un primer museo fue realizado por Gianvittorio Castelnovi en 1959.
En enero de 2001 se inauguraron 12 nuevas salas que reúnen en 400 m² los mobiliarios y las diversas colecciones provenientes no solo de Santa María de Castello, sino también de otros conventos y monasterios dominicos.
