Istituito nel 1973, per iniziativa del parroco Don Sergio Campana, con l'intento di raccogliere oggetti d'arte sacra della Collegiata e di altre chiese della città, il Museo è provvisoriamente allestito nei locali soprastanti la navata sinistra della chiesa. Conserva argenti, pissidi, turiboli, reliquiari e paramenti sacri, in gran parte settecenteschi. Nell'estate 2012 i pezzi più pregiati confluiranno nelle collezioni del Museo di San Francesco, destinato a divenire punto di riferimento per la conservazione e l'esposizione di tutte le opere mercatellesi che hanno perso la loro collocazione originaria. La Collegiata, che mantiene esternamente tracce della primitiva costruzione romanica, presenta all'interno un impianto basilicale realizzato a cavallo tra Seicento e Settecento su disegno dell'architetto Nicola Barbioni di Città di Castello. Conserva, tra l'altro, una Immacolata Concezione di Raffaellino del Colle (1480 ca. - 1566), un San Carlo Borromeo di Giovan Francesco Guerrieri (1589 - 1655/59) ed una Madonna delle Grazie, antica e preziosissima icona di un anonimo autore dell'XI secolo.