Inaugurato nel 1891, su progetto dell'architetto dell'Opera, Luigi del Moro, fu ristrutturato dopo l'alluvione del 1966, ed oggi, nel moderno allestimento rinnovato nel dicembre 1999, è da considerarsi uno dei più importanti musei ecclesiastici italiani.
Il palazzo attuale fu costruito su un precedente casolare acquistato nel 1400.
Fin dalla fine del 1800 hanno continuato ad affluire al Museo tutte le opere d'arte che, per ragioni di conservazione, vengono rimosse dall'esterno di Santa Maria del Fiore e quelle che provengono dal Battistero e dal Campanile.
La raccolta è dunque la più tangibile testimonianza di una tradizione plastica tipicamente fiorentina, formatasi nelle varie fasi di costruzione di Santa Maria del Fiore ed evolutasi per secoli nei suoi cantieri.