Inaugurado en 2001 por el cardenal Carlo Maria Martini, a quien luego se le dio el nombre en 2017, el Museo es el punto de llegada de un importante proyecto al que han contribuido de manera decisiva algunas de las más grandes figuras de los arzobispos milaneses del siglo XX. Sus orígenes se remontan a una primera intuición del Beato Ildefonso Schuster en 1931, luego retomada por el Cardenal Montini en 1960, quien indicó el claustro de Sant'Eustorgio, uno de los lugares fundamentales en la historia del cristianismo ambrosiano, como sede del nuevo Museo. Fue el cardenal Martini quien, en los años ochenta, se encargó de la difícil tarea de iniciar la reconstrucción de los claustros, gravemente dañados por los bombardeos de la Segunda Guerra Mundial, confiados al estudio de Belgiojoso. El primer convento de dominicos de Milán y los dos claustros, donde se encuentran el Museo de la Basílica de San Eustorgio y el Museo Diocesano, ya se encontraban aquí en el siglo XIII, y son, por tanto, lo que queda de ese antiguo convento.
La colección permanente del Museo Diocesano, que ocupa el segundo claustro, consta de más de mil obras del siglo II al XXI. De la Pinacoteca Arzobispal salieron las colecciones de los arzobispos milaneses (parte de la colección Monti, Visconti, Riccardi, Pozzobonelli, y la colección completa de Erba Odescalchi).
Además de las pinturas de las iglesias de la Diócesis, el Museo alberga un importante grupo de mobiliario litúrgico. Completan la colección la sección dedicada a la Colección de Oro (en su mayoría obras toscanas de los siglos XIV y XV, recogidas por el Prof. Alberto Crespi y donadas al Museo), y las esculturas y pinturas de la colección de Caterina Marcenaro, los dibujos de la colección Sozzani y el precioso legado de Schubert.
Finalmente, a un núcleo inicial de obras escultóricas de Lucio Fontana, se han añadido numerosas obras de los siglos XX y XXI, declarando el creciente interés del Museo por el mundo contemporáneo.
