Il museo diocesano di Palermo fu fondato nel 1927, in alcuni ambienti del Palazzo Arcivescovile, dal Cardinale Lualdi che, seguendo l'orientamento di Papa Pio XI, aveva promosso l'istituzione di tali Musei Diocesani d'arte legati al culto, in maniera da raccogliere il materiale artistico che rischiava di andare perduto nelle chiese in disuso, affidando la direzione dell'ente ecclesiastico all'Anichini.
Alla fine del secondo conflitto mondiale, il Museo Diocesano di Palermo aveva perso quasi del tutto la sua configurazione originaria e fu il Cardinale Ruffini che si occupò di riorganizzarlo, affidandone la direzione a Mons. Filippo Pottino. Questi, oltre a recuperare le preesistenti opere d'arte, con particolare attenzione alle numerose sculture che già decoravano la Cattedrale di Palermo, raccolse molti dipinti salvati dai bombardamenti e che non fecero più ritorno ai luoghi d'origine perché distrutti.
Il Museo, con i locali ampliati, fu inaugurato nel 1952 e venne anche realizzata una guida redatta dallo stesso Mons. Pottino.
Una nuova ristrutturazione delle sale del Museo inizia negli anni Ottanta, mentre era Arcivescovo il Cardinale Salvatore Pappalardo e direttore Mons. Paolo Collura. I lavori, attualmente in corso d'opera, prevedono un nuovo allestimento, secondo moderni criteri scientifici d'esposizione museografica delle collezioni, che saranno esposte anche nei saloni del piano nobile del Palazzo Arcivescovile, compreso la cappella con gli affreschi di Guglielmo Borremans.
Tra le più antiche opere possedute si segnalano la Madonna della Luce, mosaico d'età normanna, la Madonna della Perla e la Madonna detta la Spersa, tavole d'età normanno-sveva, le opere d'importazione pisana, come il Ruolo dei confrati defunti d'Antonio Veneziano e il Trittico di Gera da Pisa. Tra le testimonianze del Quattrocento sono i dipinti di pittori locali come il Maestro delle Incoronazioni, Tommaso de Vigilia, Pietro Ruzzolone, Antonello Crescenzio, Riccardo Quartararo e di scultori immigrati come Domenico Cagini e Francesco Laurana. Numerose sono poi le sculture provenienti dalla smembrata tribuna marmorea della Cattedrale di Palermo di Antonelllo Cagini e Aiuti. Sono presenti diverse opere del pittore napoletano del primo Cinquecento Mario di Laurito, tra cui le tele smembrate del soffitto dipinto del 1536 della distrutta chiesa dell'Annunziata. Dipinti più recenti, comprendenti anche opere d'artisti immigrati, sono quelli di Vincenzo da PaVia e Simone Wobrech. Il Manierismo locale è rappresentato dalle tele del pittore Giuseppe Salerno, soprannominato lo Zoppo di Gangi insieme a Gaspare Bazzano. Vi sono poi le opere di scuola genovese come quelle di Bernardo Castello del 1619. Tra i dipinti seicenteschi presenti, si evidenziano quelli di Pietro Novelli e della scuola che veicola la cultura caravaggesca nella Sicilia occidentale. Molti sono i frammenti di decorazioni policrome a marmi mischi provenienti da chiese barocche della città, realizzati da abili maestranze locali. Interessante è il fercolo processionale ligneo dorato e il dipinto di Sant'Agata del 1680, realizzato su disegno dell'architetto del Senato palermitano Paolo Amato. L'opera plastica di Giacomo Serpotta è rappresentata dalle due teste in stucco già appartenenti alle sculture allegoriche della Clemenza e della Fede. Tra i dipinti del Settecento si segnalano le tele del messinese Filippo Tancredi, di Mariano Rossi da Sciacca e del palermitano Vito d'Anna. Le collezioni del Museo, passando attraverso l'Ottocento con dipinti di Giuseppe Velasco e sculture lignee dei Bagnasco, comprendono anche opere di artisti contemporanei. Al momento il Museo è in fase di restauro e non è aperto al pubblico.