Sorge nei Chiostri della Basilica di Sant’Eustorgio, testimonianze dell'antico convento domenicano. Le collezioni comprendono circa 900 opere, di cui 500 esposte, 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, Francesco Messina e Luciano Minguzzi.

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

Il ricco patrimonio conservato all'interno del museo è catalogato in Lombardia Beni Culturali.