Der Sammlungsbestand des Diözesanmuseums umfasst über 40.000 Objekte aus allen Bereichen kirchlicher Kunst und Kultur. Es gehört weltweit zu den größten religionsgeschichtlichen Museen. Schwerpunkte sind die spätmittelalterliche kirchliche Kunst Altbayerns, Schwabens und des Alpenraums sowie kunsthistorisch bedeutende Werke des süddeutschen Barocks und Rokoko, aber auch Artefakte aus dem Bereich der Liturgie, der Volksfrömmigkeit, des Wallfahrtswesens und der Klosterkultur. Einen weiteren Sammlungsbereich bilden 2.700 Objekte der frühchristlichen und byzantinischen Kunst und Kultur, anhand derer die Ursprünge christlicher Kunst und Liturgie in einem eigenen Ausstellungsbereich veranschaulicht werden können.
Die neue Schausammlung präsentiert auf fast 2500 Quadratmetern Ausstellungsfläche christliche Kunst aus zwei Jahrtausenden: von frühchristlichen Werken bis hin zu zeitgenössischen Positionen des 21. Jahrhunderts. Neben Künstlern der bayerischen Spätgotik des 15. Jahrhunderts wie Erasmus Grasser, Jan Polack und Gabriel Angler sind auch der große Lucas Cranach und viele Meister des Barock und Rokoko, so Ignaz Günther, Johann Baptist Straub und die Gebrüder Asam, vertreten.
Auch zeitgenössische Künstlerinnen und Künstler haben im neuen Diözesanmuseum ihren festen Platz und sorgen für Offenheit nach allen Seiten – etwa der US-amerikanische Installationskünstler James Turrell, der in der ehemaligen Hauskapelle einen Lichtraum kreiert hat: „A CHAPEL FOR LUKE and his scribe Lucius the Cyrene“ ist eine raumübergreifende Lichtinstallation in Form eines Ganzfeldes. Dabei verschmelzen alle architektonischen Merkmale – Licht, Farbe und Raum – zu einer Einheit, wodurch das Phänomen des vollkommenen Verlusts der Tiefenwahrnehmung erzeugt wird. Mit Betreten des Werkes werden so die Grenzen von Raum und Zeit scheinbar aufgelöst und sprichwörtlich entgrenzende Erfahrungen geschaffen.
Die belgische Bildhauerin Berlinde de Bruyckere setzte sich besonders mit dem Bestand spätgotischer Skulpturen des Museums auseinander und schuf unter diesem Eindruck die überlebensgroße Bronzeskulptur ARCANGELO für den Lichthof des DIMU. Der für seine Langzeitbelichtungen bekannte Fotograf Michael Wesely zeigt in seinen beiden Arbeiten die Transformation des Museums in den letzten neun Jahren, in dem er das Museumsteam kurz nach der Schließung und kurz vor der Wiedereröffnung zu einem Gesicht verschmelzen ließ. Die amerikanische Künstlerin Kiki Smith hat sich bei ihrem Besuch auf dem Domberg im Juni 2019 entschlossen, einen kleinen Sakralraum im Außenbereich des Museums zu gestalten. Die von ihr in Zusammenarbeit mit Brückner & Brückner entworfene Kapelle trägt den Titel „Mary's Mantle Chapel“ und wird ab April 2023 auf der Westterrasse des Museums gebaut und von der Künstlerin gestaltet.
