Nel Museo sono conservate le sinopie, appunto, degli affreschi del Camposanto Monumentale.

Gli affreschi, opera di diversi artisti, tra i quali Buffalmacco, Andrea Bonaiuti, Antonio Veneziano, Spinello Aretino, Taddeo Gaddi, Piero di Puccio, Benozzo Gozzoli e altri, un tempo coprivano le pareti del Camposanto e furono distrutti o comunque molto danneggiati dall'incendio del 1944 dovuto a un bombardamento alleato.

In quell'occasione si staccarono gli affreschi per gli urgentissimi restauri (in larga parte ancora in corso) e si trovarono questi disegni preparatori straordinariamente conservati. Dopo il restauro furono collocati nel museo odierno, che si trova nel lato sud della Piazza del Duomo, dove è presente una delle due biglietterie del complesso monumentale.

Nel Museo, oltre alle Sinopie stesse, sono presenti due zone multimediali. Una dove viene riprodotto una simulazione in 3D stereoscopico del Camposanto monumentale durante i secoli, l'altra dove, in una sorta di piccolo cinema, viene proiettato un audiovisivo riguardante la struttura e i lavori di restauro della Torre pendente, per il momento solo in lingua inglese.