Das Museum wurde in den Zwanzigerjahren des zwanzigsten Jahrhunderts zunächst als Pinakothek gegründet, aber tatsächlich begann die Entstehung der reichen Kunstsammlung, die auch aus dokumentarischer Sicht rekonstruiert werden kann, viele Jahrhunderte zuvor. Tatsächlich war die städtische Regierung immer an der Bereicherung der Kunstsammlungen beteiligt, indem sie bereits im 16. Jahrhundert Werke bei angesehenen Künstlern in Auftrag gab, um den Palazzo Comunale zu schmücken und wichtiger zu machen. Der Ausgangspunkt wurde natürlich durch die Auferstehung von Piero della Francesca geboten, dem Emblem und Symbol der Stadt, das um 1460 im Saal der Konservatoren des Palazzo della Residenza freskiert wurde, ein Werk, das vom englischen Schriftsteller Aldous Huxley als "das schönste Gemälde der Welt" bezeichnet wurde. Dank dieses illustren Vorläufers löste die Regierung einen ersten und innovativen Sammlungstrend aus, der für die Öffentlichkeit zugänglich war. Bereits in der zweiten Hälfte des 16. Jahrhunderts rief die Gemeinde die Bassano, berühmte und fleißige venezianische Maler, nach Sansepolcro, um die Kapelle der Residenz zu schmücken, und erwarb Werke von Raffaellino del Colle und Leonardo Cungi.

Im Laufe des 17. Jahrhunderts wurde die ursprüngliche Sammlung bei einem Besuch von Leopold II. durch den Transfer der berühmten Gravuren von Cherubino Alberti aus dem nahe gelegenen Palazzo Pretorio erweitert. Aufgrund dieser illustren Vorgeschichte war es dann natürlich, 1846 das Werk San Ludovico, das von den Wänden des Palazzo Pretorio abgelöst wurde, in diese Räume aufzunehmen. Nach den Unterdrückungen der Leopoldinischen und Napoleonischen religiösen Orden zwischen Ende des 18. Jahrhunderts und dem ersten Jahrzehnt des 19. Jahrhunderts entwickelte sich die Sammlung des Museums zu einer experimentellen und ungefähren Galerie von Kunstwerken. Der wachsende Wille, das städtische künstlerische Erbe zu bewahren und zu schützen, unterstützte den Transfer von Werken in die Räume des Palazzo della Residenza, die "Gefahr des Verfalls" liefen; dies bezog sich insbesondere auf die Gemälde in den Kirchen Santa Chiara, Sant'Agostino und auf das Polyptychon Madonna della Misericordia, das 1901 Teil der Städtischen Pinakothek wurde. Im neuen Jahrhundert verbreitete sich in Sansepolcro eine echte Kultur der Erhaltung, so dass die Organisation der Pinakothek mittlerweile auch Experten einbezog, die zusammen mit dem literarischen Erfolg von Piero (Roberto Longhi, Mario Salmi, Kenneth Clark und Rudolf Wittkower) ein wachsendes Interesse an der Valtiberina zeigten. Im Laufe der Jahre wurde die allgemeine Begeisterung durch die Entdeckung und den anschließenden Transfer des San Giuliano in die Museumssäle verstärkt. Später ermöglichte die Zusammenarbeit zwischen der Stadt Sansepolcro, der Denkmalpflege von Arezzo und der Region Toskana die Eröffnung des erweiterten Museums im Jahr 1975, das dank der Wiederherstellung von Räumen im obersten Stockwerk und im Untergeschoss seine Ausstellungsflächen erweitert hatte.