El Museo Diocesano de Tarragona, al cual se accede desde el claustro de la catedral, está formado por cuatro salas, la última reforma de las cuales se llevó a cabo en 2014. Estos 4 espacios ofrecen un recorrido cronológico, desde los romanos hasta el siglo XVIII. Los orígenes de las colecciones se remontan a mediados del siglo XIX, aunque el Museo se fundó en 1914 por el obispo Antolín López Peláez acogiendo objetos litúrgicos y obras de arte procedentes del Capítulo Catedralicio, de parroquias de la diócesis, de congregaciones religiosas y de particulares. Con el tiempo las colecciones han crecido hasta llegar a conservar unos 10.000 objetos.

Del Museo, que conserva objetos litúrgicos de los siglos VI-VII y tallas de los siglos XII y XIII, destacan sus colecciones góticas (siglos XIV-XV), especialmente de pintura, escultura y orfebrería, entre las que se pueden encontrar obras de autores de la corriente internacional tan destacados como Bernat Martorell, Jaume Ferrer II o Lluís Borrassà entre otros. Del renacimiento, el Museo expone obras de producción local, mientras que el barroco (siglo XVII y XVIII) sobresalen las obras de Luis y Francisco Bonifàs y Massó.