L'Archivio musicale costituisce una delle collezioni più rinomate nel suo genere. Vi sono conservati i libri liturgici e musicali, che nel corso di sei secoli (dal '300 a oggi) sono stati utilizzati per la Messa e il servizio divino in Duomo o in Battistero. Universalmente noti sono i codici corali che, oltre a tramandare un ricco repertorio di canti gregoriani, costituiscono una vera e propria galleria d'arte, grazie alle numerose e bellissime miniature disseminate tra le grandi pagine in pergamena. Purtroppo, l'alluvione del 1966, che colpì duramente l'Archivio dell'Opera, ha compiuto qui il suo delitto più grave: molti di questi capolavori, infatti, furono danneggiati in modo gravissimo dall'impeto dell'acqua melmosa riversatasi nei locali a pian terreno del Museo, dove i preziosi manoscritti erano esposti al pubblico. Grazie al lavoro dei restauratori, giunto a compimento nel 1999, è stato possibile ricostruire e depurare dal fango le pagine dei singoli codici; niente però potrà restituirci l'antico splendore di tante scene dipinte da artisti come il Maestro Daddesco, Monte di Giovanni, frate Eustachio, Attavante degli Attavanti e molti altri.

Fortunatamente, la parte restante dell'archivio musicale è uscita indenne dal disastro: in essa si segnala un'importante raccolta di madrigali, vesperali e processionali, tra i quali spicca un quattrocentesco Processionale per la Settimana Santa, ben noto agli studiosi.

Tuttavia, un posto di assoluto rilievo spetta ai volumi di polifonia, che raccolgono un ricchissimo repertorio di musica sacra (messe, mottetti, antifone, inni ecc.), scritta per la cappella del Duomo tra XVI e XVIII secolo da compositori quali Pier Luigi da Palestrina, Francesco Corteccia, Marco da Gagliano, Tommaso Lodovico da Victoria e i vari maestri di cappella che si succedettero nel corso del tempo. Proprio questa parte dell'Archivio dell'Opera ha oggi acquistato una particolare vitalità grazie ai concerti tenuti in Duomo e Battistero per la serie "O flos colende", che dal 1997 ripropone composizioni di musica sacra desunte in larga parte dai manoscritti dell'archivio e rimaste per secoli sconosciute non solo al grande pubblico, ma anche agli specialisti.