Le musée d'Art sacré est installé sur le site du Monastère des Bernardines. En 1950, la Ville de Dijon achète l'église, classée Monument Historique puis, en 1979, les autres bâtiments. Elle entreprend de vastes campagnes de restauration pour y installer le Musée d'Art sacré, dans la chapelle Sainte-Anne et le Musée de la Vie bourguignonne - Perrin de Puycousin, dans le cloître.
Le musée ouvre au public le 17 juin 1980. Et rapidement, il répond aux besoins terrain : en dix ans, 378 objets sont déposés, surtout par des communes rurales soucieuses de mettre à l'abri un patrimoine de plus en plus menacé (vol, dégradations des conditions d'expositions, perte de l'histoire des objets...). Après le départ en retraite du chanoine Marilier, la gestion du musée est confiée en 1993 à l'équipe du musée de la Vie bourguignonne. Il est alors reconnu "Musée de France".
Comme les autres musées dijonnais, il intègre la Direction des musées et du patrimoine en 2015.