Il Museo Pontificio della Santa Casa si trova nell'ala ovest del Palazzo Apostolico, edificio che delimita su due lati la Chiesa e il Palazzo Apostolico, caratterizzato da un massiccio “portico” ornato da un ordine dorico al piano terra. Questo portico è sovrastato da una loggia in pietra bianca d'Istria e da un ordine ionico nella roccia istriana, e con ordine ionico al piano superiore. Il progetto del Palazzo è all'architetto pontificio Donato Bramante fu inviato da papa Giulio II nel 1507 con l'incarico di “disegnare il palazzo”. Molti architetti illustri hanno lavorato a questo palazzo: Giancristoforo Romano, Andrea Sansovino, Antonio da Sangallo il Giovane, Raniero Nerucci, Giovanni Boccalini e, nel XVIII secolo, Luigi Vanvitelli, che decorò la facciata con una balaustra.
Le stanze del primo piano, il “piano nobile”, delle ali occidentali del Palazzo Apostolico, erano un tempo adibite a foresteria, cioè a stanze per gli ospiti. oltre a contenere un appartamento riservato al governatore della Santa Casa atto ad ospitare nobili, cardinali o principi in visita al Santuario. Fu poi utilizzato durante Regno d'Italia per ricevere gli ambasciatori politici e amministrativi.
Le collezioni museali iniziarono ad aumentare alla fine del XIX sec, quando il rinnovamento della Chiesa fu avviato dall'azione di Giuseppe Sacconi, che mirava a riportare il tempio lauretano alla sua forma originaria, rimuovendo quanto era stato fatto nel XVI secolo. Molti dipinti e mobili provenienti dal Santuario e dal Palazzo Apostolico furono raccolti nelle sale del Museo, compresi i vasi speziali in ceramica della spezieria della Santa Casa e alcuni affreschi staccati dalle cappelle laterali della Chiesa.
Diverse donazioni si sono aggiunte di volta in volta così come l'ex-voto dell'Antico Tesoro della Santa Casa salvato dalle requisizioni napoleoniche del 1797 e dal furto del 1974.