Un nucleo consistente delle opere delle collezioni del Museo proviene dalla Quadreria Arcivescovile, da cui, su iniziativa del cardinale Martini, sono giunti molti dipinti delle antiche collezioni degli arcivescovi milanesi e che riflettono i loro diversi orientamenti culturali. Fra queste, parte della collezione Monti, della Visconti, della Pozzobonelli, e la completa collezione Erba Odescalchi. Le scelte del cardinale Cesare Monti (1593-1650), in linea con la cultura di San Carlo Borromeo e con lo spirito della Controriforma, si orientano verso la scuola del Cinquecento veneto, verso il primo Seicento lombardo e la scuola dei leonardeschi e degli emiliani. Fra le opere al Museo Diocesano spiccano la Caduta di San Paolo del Cerano, la Lotta di Giacobbe e l’angelo, capolavoro del Morazzone e il San Giuseppe col Bambino di Guido Reni.
Assai diverso è invece l’orientamento collezionistico del cardinale Giuseppe Pozzobonelli (1696-1783), la cui collezione costituisce una delle maggiori espressioni della cultura dell’Arcadia diffusasi a Milano nel Settecento: le opere raffigurano infatti soggetti arcadici, paesaggi bucolici e marine, prospettive con figure, di ambito romano, veneto, lombardo, e, in misura minore, toscano, napoletano e fiammingo, databili tra le fine del Seicento e gli anni Settanta del secolo successivo. Fra i pittori della collezione si ricordano Francesco Zuccarelli, il Cavalier Tempesta, Paolo Anesi e Giovanni Paolo Panini.
Tre le opere del cardinale Visconti (1617-1693), fra cui la tavoletta con il San Carlo del Cerano, mentre la collezione Erba Odescalchi (1679-1740) è costituita da 41 tele raffiguranti i santi vescovi milanesi, riferite a Francesco Fabbrica (Milano, notizie 1710-1740).