Sorge nei Chiostri della Basilica di Sant’Eustorgio, testimonianze dell'antico convento domenicano. Le collezioni comprendono più di mille opere, dal II al XXI secolo, provenienti perlopiù dalla Quadreria Arcivescovile e dal territorio della Diocesi di Milano. Ospita inoltre la collezione di Fondi Oro, dono del professor Alberto Crespi, la Collezione Marcenaro e la Collezione Sozzani. Il Museo espone anche numerose opere di artisti del ventesimo secolo, come Lucio Fontana.

Il Museo Diocesano "Carlo Maria Martini" è stato riconosciuto da Regione Lombardia come Museo nel 2004.