Il Museo del Duomo conserva un notevole patrimonio artistico legato alla vicenda storica del Duomo e alla figura di S. Gemignano, protettore della città e composto da diverse tele rappresentative della scuola pittorica emiliana fra XVII e XVIII e da una ricca serie di suppellettili e apparati liturgici. Nel Lapidario sono ospitati rilievi, sculture ed epigrafi di età romana, medievale e rinascimentale recuperati nel corso di lavori di manutenzione e restauro sulla fabbrica del Duomo nell'Ottocento e nel Novecento o rimossi dalla loro sede originaria, oppure ancora venuti in luce durante interventi di scavo.Il percorso di visita ha inizio con cinque tele raffiguranti le apparizioni di Cristo dipinte da Bernardino Cervi nel 1621 per la distrutta Cappella della Resurrezione e un ricco arredo d'altare seicentesco in argento, composto da una croce e da sei candelieri, usato quale dotazione dell'altare maggiore durante le solennità. Dedicata a San Geminiano, la seconda sala ospita una grande immagine trecentesca in rame sbalzato raffigurante il patrono modenese e le suppellettili liturgiche che la tradizione agiografica attribuisce al Santo, quali l'altarolo portatile di epoca romanica e il pastorale cinquecentesco. Completano l'allestimento la ricca dotazione dell'altare del Santo situato nella cripta (candelieri, vasi porta-palma, lampade in argento) donata alla Cattedrale dalla Comunità modenese e realizzata nel 1833. La terza e la quarta sala sono dedicate al tesoro della Cattedrale, costituito da paramenti liturgici, argenteria d'altare e reliquiari. Nella sala degli arazzi sono collocati gli esemplari con le Storie della Genesi tessuti a Bruxelles intorno al 1560-70. A chiusura della visita, la mostra permanente dei codici espone a rotazione le preziose rarità dell'annesso Archivio Capitolare. Nel patrimonio del Lapidario predominano per importanza e qualità estetica le "metope" del Duomo, magnifica serie di otto grandi sculture romaniche caratterizzate da inconsuete immagini di esseri mostruosi e fantastici. Opera di un seguace di Wiligelmo, erano collocate originariamente sulle testate degli archi della navata centrale. Vi si annoverano inoltre marmi di età romana variamente riutilizzati durante la costruzione della cattedrale, frammenti lapidei provenienti dagli edifici precedenti l'attuale duomo, l'Arca di San Geminiano, alcuni rilievi e sculture romanici prodotti nell'ambito della grande officina diretta da Wiligelmo e altre opere dei Maestri Campionesi.
