Inauguré en 2001 par le cardinal Carlo Maria Martini, à qui il a ensuite été donné son nom en 2017, le musée est le point d'arrivée d'un important projet auquel certaines des plus grandes figures des archevêques milanais du XXe siècle ont apporté leur contribution décisive. Ses origines remontent à une première intuition du bienheureux Ildefonso Schuster en 1931, puis reprise par le cardinal Montini en 1960, qui a indiqué les cloîtres de Sant'Eustorgio, un des lieux charnières de l'histoire du christianisme ambroisien, comme site du nouveau musée. C'est au cardinal Martini que revient la difficile tâche, dans les années 1980, de commencer les travaux de reconstruction des cloîtres, gravement endommagés par les bombardements de la Seconde Guerre mondiale, confiés à l'atelier Belgiojoso. Le premier couvent des dominicains de Milan et les deux cloîtres, où se trouvent le musée de la basilique de Sant'Eustorgio et le musée diocésain, se trouvaient déjà ici au XIIIe siècle, et sont donc ce qui reste de cet ancien couvent.
La collection permanente du Musée diocésain, qui occupe le deuxième cloître, comprend plus d'un millier d'œuvres du deuxième au XXIe siècle. De la Pinacothèque Archiépiscopale sont venues les collections des archevêques milanais (une partie de la collection Monti, Visconti, Riccardi, Pozzobonelli, et la collection complète Erba Odescalchi).
Outre les peintures des églises du diocèse, le musée abrite un important ensemble de mobilier liturgique. La collection est complétée par la section consacrée à la Collection d'or (principalement des œuvres toscanes des XIVe et XVe siècles, collectées par le professeur Alberto Crespi et données au musée), et aux sculptures et peintures de la collection de Caterina Marcenaro, aux dessins de la collection Sozzani et au précieux legs de Schubert.
Enfin, à un premier noyau d'œuvres sculpturales de Lucio Fontana, se sont ajoutées de nombreuses œuvres des XXe et XXIe siècles, témoignant de l'intérêt croissant du musée pour le monde contemporain.
