La colección de arte gótico está situada en el antiguo dormitorio del monasterio de Santa María de Solsona, espacio recuperado en las obras de remodelación del museo que se realizaron a finales de los años ochenta. Anteriormente, esta gran sala había sido transformada en el salón del trono y en las dependencias particulares de los obispos cuando se hicieron, a finales del siglo XVIII, las obras de ampliación del Palacio Episcopal.
En la nueva ordenación museográfica se exponen obras de los siglos XIII, XIV y XV. Se exhiben dos muestras de pintura mural, entre las que tiene especial relevancia el conjunto funerario de Sant Pau de Casserres, con las pinturas de los ángeles del Juicio Final. También se exponen osarios y sepulcros de piedra, como el del caballero Hugo de Copons. Se muestran diversos fragmentos de retablos, como una predela con la representación del la Última Cena.
Sorprende la lámpara de origen flamenco de mediados del siglo xv, uno de los pocos ejemplares que quedan en toda Europa. Imágenes de la Virgen y de santos, además de elementos de uso litúrgico, completan la exposición de esta sala.