Das ehrwürdigste Werk ist das Kapitelkreuz aus dem frühen 11. Jahrhundert, das reich mit Edelsteinen, Perlen und Gemmen verziert ist. Durch alle Zeiten kontinuierlich als Prozessionskreuz gebraucht, empfingen die Domherren mit ihm jeden neu gewählten Bischof, der die im Kreuz geborgene Reliquie kniend mit einem Kuss verehrte.

Das Diözesanmuseum wurde unter Bischof Wilhelm Berning 1918 eingerichtet, um den nicht mehr benutzten Bestand kirchlicher Kunst aus dem Dom und den Kirchen der Diözese Osnabrück zu erhalten und sicher zu präsentieren. Es beherbergt archäologische Funde, Bilder, kirchliche Geräte, Paramente und Möbel, die nach Schwerpunktthemen chronologisch geordnet sind. So geht es etwa um die reiche Osnabrücker Erinnerung an Karl den Großen als Bistumsgründer, die Blüte der Kunst in Osnabrück um 1500, den einzigartigen Wechsel zwischen einem katholisch geweihten Bischof und einem evangelischen Welfenprinzen in der Landesherrschaft zwischen 1648 und 1802 oder den Dom und die Diözese im 19. und 20. Jahrhundert.

Besonders bedeutende Werke sind die Skulpturen des frühen 14. bis frühen 16. Jahrhunderts, darunter zahlreiche Arbeiten des "Meisters von Osnabrück" als der besten Bildhauerwerkstatt der Stadt im Spätmittelalter. Unter den Textilien ist das Hauptwerk das Priestergewand Bischofs Benno II. von Osnabrück aus byzantinischer Seide (11. Jahrhundert), in dem der verstorbene Oberhirte 1088 zunächst in der Iburger Klosterkirche bestattet worden war.

Zudem gibt das Museum einen lebendigen Eindruck von Kirchenausstattungen des Mittelalters und des Barocks vornehmlich des Osnabrücker Landes.