Nel museo, istituito nel 1982, gli ambienti adiacenti al chiostro danno esposizione agli oggetti più rappresentativi del patrimonio del santuario, offerto dagli Este dai Gonzaga, dai Medici, dai Montefeltro, e da corporazioni e confraternite locali. Tra i cimeli relativi alla storia della basilica, oltre al disegno dell'Orsi e alla sinopia dell'affresco della Madonna della Ghiara dipinto dal Bertone, compaiono reliquiari, ostensori, medaglie votive e importanti esempi di oreficerie tra i quali la croce e i sei candelieri, destinati ad arredare nei giorni di festa l'altare della Madonna, eseguiti dai romani Gianfrancesco Frangi e Marco Marchi su commissione del duca Francesco I d'Este (1634); la corona in argento, perle e pietre preziose realizzata nel 1674 dall'orafo reggiano Michele Augusta, gioielli di manifattura italiana del Cinquecento. La Camera dei Paramenti contiene parati liturgici dal XVI al XIX secolo. Tra gli ex voto della Sala del Tesoro si conserva il dipinto di Luca Ferrari raffigurante La salvazione di Laura da Correggio.