La sede museale è collocata nel braccio occidentale del Palazzo Apostolico, negli ambienti del primo piano un tempo adibiti a foresteria e ad usi di rappresentanza.

Il Palazzo, che si articola a sinistra e di fronte alla Basilica nella piazza della Madonna, è caratterizzato da un imponente porticato e da un loggiato soprastante. I maggiori architetti impegnati nella sua realizzazione furono Donato Bramante, Gian Cristoforo Romano, Andrea Sansovino, Antonio da Sangallo il Giovane, Raniero Nerucci, Galasso Alvisi, Giovanni Boccalini e, nel XVIII secolo, Luigi Vanvitelli.

Il Museo Pinacoteca, conserva un vasto ed eterogeneo patrimonio di arte e di fede proveniente dal Santuario o donato alla Santa Casa nel corso dei secoli, a testimonianza del prestigio raggiunto dalla Basilica Lauretana in tutto il mondo.

Le raccolte
Dipinti provenienti dalla Basilica.
Collezione degli arazzi
Collezione delle maioliche da farmacia.
Mobili di arredo del Palazzo Apostolico
Tesoro della Santa Casa.
Collezione d'arte contemporanea.

I dipinti su tavola o su tela sono quasi tutti a soggetto religioso e provengono dagli altari della Basilica. La maggior parte di essi è stata realizzata nella seconda metà del XVI secolo. Alcuni di questi appartengono ad Antonio da Faenza, Francesco Menzocchi, Girolamo  Muziano, Felice Damiani, Filippo Bellini, Simon Vouet, Antonio Zanchi, Giuseppe Maria Crespi, Sebastiano Conca, Francesco Foschi, Cesare Maccari. Della collezione fanno parte anche alcuni affreschi di Pellegrino Tibaldi e Cristoforo Roncalli. Di fondamentale importanza le tele di Lorenzo Lotto provenienti dall' antica Cappella del Coro alcune della quali eseguite dal pittore veneziano negli ultimi anni della sua vita conclusasi nel Santuario Lauretano dove egli   viveva come oblato.

La collezione degli arazzi proviene da Bruxelles ed è opera di Enrico Mattgens. Venne donata  al Santuario dal genovese Giovanni Battista di Niccolò Pallavicino e giunse a Loreto nel 1667. I soggetti rappresentanti sono stati realizzati su cartoni tratti da modelli di Raffaello.

La raccolta di maioliche è costituita da un primo nucleo proveniente dalla bottega di Orazio Fontana che venne donato alla Basilica del Cardinale  Giulio Feltrio Della Rovere a cui si è aggiunta, nel 1631, una collezione di vasi acquistati presso la bottega dei patanazzi. Comprende inoltre vasi da farmacia realizzati da Francesco Antonio Grue, ed una raccolta di statuine presepistiche risalente ai secoli XVIII e XIX.

I mobili del XVII e XVIII secolo, che costituiscono il prezioso ed artistico arredo del museo, comprendono sedie di noce del secolo XVI, cassapanche del secolo XVII, divani, poltrone e sedie in legno di noce ricoperti di pelle bulinata e pirografata recanti le lettere S e C sovrapposte (Santa Casa).

Il tesoro della Santa Casa conserva superbe opere di oreficeria donate dai fedeli al Santuario, nel corso dei secoli. Tra queste un crocifisso in argento, modellato dal Giambologna ed inviato alla Santa Casa da Cristina di Lorena nel 1573; un crocifisso e quattro candelieri in rame dorato e corallo di un anonimo artigiano napoletano del XVII secolo; un crocifisso in oro, cristallo di rocca e smalti del XVII secolo.

La collezione d'arte contemporanea si è costituita a seguito delle Celebrazioni per il Settimo Centenario Lauretano (1995) e comprende opere donate da noti artisti quali Floriano Bodini, Ennio Calabria, Pietro Cascella, Virginio Ciminaghi, Silvio Consadori, Gigino Falconi, Enrico Manfrini, Franco Mulas, Alberto Sughi, Sergio Vacchi, Valeriano Trubbiani, Aligi Sassu ed altri.