Il museo diocesano si trova nel centro storico di Gubbio, tra la cattedrale intitolata ai Santi Giacomo e Mariano ed il palazzo ducale, fatto erigere da Federico da Montefeltro alla fine del XIV secolo.
Il percorso museale si articola all’interno del palazzo del Capitolo dei Canonici. Edificato nel XIII secolo e ampliato successivamente, il palazzo ospitava il Collegio dei Canonici addetti al culto liturgico del duomo, la cui vita comunitaria fu regolamentata da Sant’Ubaldo.

All’interno di un complesso architettonico unico ed affascinante il visitatore può ripercorrere l’origine e la storia dell’antica diocesi eugubina.
Materiali lapidei di epoca romana, bizantina ed altomedievale si alternano ad interessanti dipinti dei secoli XIV e XV, epoca in cui la produzione artistica locale fu particolarmente fiorente, e a preziose suppellettili ecclesiastiche e paramenti liturgici.
La raccolta si compone di oggetti provenienti dalla cattedrale, da edifici religiosi della città e dei dintorni, e da alcuni pezzi di proprietà privata.
Nella sezione archeologica si trovano steli funerarie romane, lapidi e lastre sepolcrali.
Tra i dipinti si distinguono le tavole dell’eugubino Mello, attivo tra il terzo ed il sesto decennio del Trecento, raffiguranti la Madonna con il Bambino. Evidenti risultano i debiti nei confronti di Ambrogio Lorenzetti, riferimento frequente anche per altri pittori locali, tanto da far pensare che vi fossero in zona testimonianze del pittore senese oggi perdute.
Il XV secolo è ben rappresentato attraverso pittori della cerchia di Ottaviano Nelli e da un ciclo di affreschi con scene della Passione di Cristo provenienti dalla cripta della chiesa di Santa Maria dei Laici, mentre i secoli successivi sono rappresentati da opere di Benedetto Nucci, Ignazio Danti, il Pomarancio, Francesco Allegroni e il Sassoferrato.
Particolare interesse riveste il piviale di Marcello II, vescovo di Gubbio tra il 1544 e il 1555, di manifattura fiamminga del XV secolo, probabilmente eseguito su disegno di Giusto di Gand.
Completano la raccolta una serie di reliquari e di suppellettili ecclesiastiche, argenterie, insegne vescovili tra cui va segnalata la stauroteca in argento di Giovanni Giardino il cui disegno è conservato a Berlino presso la Kunstbibliothek.
Da via Federico da Montefeltro è possibile notare, dietro una grata, una grande botte in legno del XV secolo della capacità 387 barili, circa 200 ettolitri, detta Botte dei Canonici.