Il Museo diocesano permette di ammirare una panoramica della pittura senese a cavallo tra il XIII e il XVII secolo.

Nel vestibolo che comunica con l'oratorio superiore ci sono alcune tavolette di Sano di Pietro ed altri autori e un rilievo di Giovanni d'Agostino raffigurante la Madonna col Bambino e due angeli (1330-1340 circa), unica sua opera firmata.

L'opera più antica è la Madonna di Tressa (1235 circa), opera eponima del Maestro di Tressa. Della fine del secolo è invece il tondo con la Madonna e il Bambino del Maestro degli Aringhieri.

Alcuni affreschi trecenteschi, provenienti dalla chiesa di San Francesco, sono opera di Pietro Lorenzetti e Ambrogio Lorenzetti, quest'ultimo autore anche della Madonna del Latte. Dello stesso secolo sono anche le tavole di Segna di Bonaventura, Naddo Ceccarelli, Bartolomeo Bulgarini, Andrea di Bartolo e Niccolò di Buonaccorso, Taddeo di Bartolo, Andrea Vanni, Benedetto di Bindo, Luca di Tommé.

Il Vecchietta dipinse nel XV secolo una pala del Cristo in pietà, completato da un gruppo in legno policromo dello stesso autore. A Sano di Pietro sono attribuite il San Cristoforo e San Giorgio e il Drago. Notevole è la tavoletta in bassorilievo in marmo con la Madonna del Latte di Antonio Federighi. È presente anche un busto in terracotta dipinta con la Madonna e il Bambino di Jacopo della Quercia (1420-1430).

Al Cinque-Seicento risalgono le pale di una piccola quadreria: un Cristo portacroce di Domenico Beccafumi, alcune piccole tavole da del Sodoma e del Riccio, oltre ad opere di Ventura Salimbeni, Alessandro Casolani, Rutilio Manetti, Deifebo Burbarini, Bernardino Mei.