Das Museum Diocesano von Pienza ist im Palazzo Vescovile, auch Palazzo Borgia genannt, untergebracht und geht aus dem reich ausgestatteten Museo della Cattedrale hervor, das zahlreiche Werke aus den Kirchen der Umgebung vereint.
Zu den wichtigsten Ausstellungsstücken zählen die Tafeln aus dem 14. Jahrhundert, wie die Madonna mit Kind von Pietro Lorenzetti, genannt Madonna di Monticchiello, ein Kruzifix von Segna di Bonaventura sowie die von Bartolomeo Bulgarini geschaffene Muttergottes mit Kind. Die große Bildtafel mit der Madonna della Misericordia von Bartolo di Fredi ist auf das Jahr 1364 datiert, ursprünglich befand sie sich im Baptisterium von Pienza.
Stark vertreten ist auch die Schule von Siena mit Werken von höchster künstlerischer Qualität aus dem 15. Jahrhundert. Aus Spedaletto stammt die herrlich anmutende Bildtafel von Lorenzo di Pietro, genannt “Il Vecchietta”, mit der Thronenden Madonna, umgeben von den Heiligen Blasius, Johannes dem Täufer, Nikolaus und Florian – ein Gemälde, das von den neuen künstlerischen Tendenzen aus Florenz inspiriert wurde. Dies belegt die lichte und klare Helligkeit wie auch der Gebrauch der Perspektive als künstlerische Mittel.
Wunderbar anzusehen sind außerdem die auf das 16. Jahrhundert zurückgehende Madonna della Misericordia von Luca Signorelli und die Renaissance-Skulpturen von Domenico di Niccolò dè Cori, nicht zu vergessen die nachfolgenden Arbeiten der Schule von Siena mit Werken von Vincenzo Rustici, Francesco Rustici, Bernardino Mei und Giuseppe Nicola Nasini.
Das Museum besitzt auch eine bedeutende Sammlung von Meisterwerken der Goldschmiedekunst aus dem 13. bis 19. Jahrhundert. Besondere Erwähnung verdienen die liturgischen Geräte, die Pius II. der Kathedrale schenkte: ein wundervolles Pastorale, eine Mitra, ein Weihrauchkessel mit Navicula und ein Weihwasserkessel.
Das wertvollste Stück des Museums ist das sogenannte Pluviale Pius′ II., das der Überlieferung nach Thomas Palaiologos dem Papst schenkte und von diesem später der Kathedrale überlassen wurde. Das prächtige Pluviale, mit 27 Geschichten aus dem Leben der Heiligen Jungfrau, der hl. Margareta von Antiochien und der hl. Katharina von Alexandria stammt aus England und wurde mit der kunstvollen Sticktechnik, die "opus anglicanunum" genannt wird, gefertigt.
