Das im Rundgang der Kathedrale untergebrachte Museum bietet einen bedeutenden Überblick über die Kunst des Aostatals aus der Zeit zwischen dem 13. und 18. Jh., indem es Gegenstände aus dem reichhaltigen Schatz der Kathedrale mit einigen Kunstwerken aus verschiedenen Pfarrkirchen des Tals vereint.
Unter den kostbarsten Artikeln befindet sich eine aus der Römerzeit stammende, in Gold gefasste Kamee mit Edelsteinen und Perlen aus dem 13. Jahrhundert, die als Chormantelschnalle benutzt worden war, während sich unter den Raritäten ein Konsulardiptychon spätrömischen Ursprungs von Kaiser Honorius befindet.
Besonders interessant sind auch die gotischen Skulpturen, wobei ein holzgeschnitztes Antependium vom 13./14. Jahrhundert eines der ältesten Kunstwerke darstellt.
Besonders reich ist die Ausstellung der Goldschmiedegegenstände mit französischen Emaillkunstwerken aus Limoges und herrlichen silbernen, ziselierten und mit Kristallen und Edelsteinen gefassten Reliquienbüsten. Weiterhin besticht das Domschatzmuseum durch den großen Reliquienschrein von San Grato, mit dessen Ausführung Guglielmo di Locana beauftragt worden war und der nach dessen Tod durch den flämischen Künstler Jean de Malines fertiggestellt worden war.
Teil des Museums ist eine Sammlung von marmornen Grabskulpturen, die im 15. Jahrhundert vom Aostataler Bildhauer Stefano Mossettaz angefertigt wurden.