Det pavelige palasset som er påbygget katedralens høyre side ble påbegynt på midten av 1200-tallet da pavene reiste til Orvieto for å unnslippe konfliktene i Roma. Pave Urban IV og Pave Martin IV bodde begge i byen og overvåket antagelig de første trinn i byggingen av palasset. Pave Bonifatius VIII utvidet bygningen, men den ble forlatt ufullført som følge av at pavesetet flyttet til Avignon i 1309. Palasset forble pavelig residens inntil 1550 da eierskapet ble overført til katedralen. Etter å ha brukt det som residens en tid, ble det ombygget til museum i 1896, som det er den dag i dag. Innvendig finner man informasjon og gjenstander som i detalj gjør rede for katedralen og byens historie. I museet kan man se avlagte arbeider fra katedralens eksteriør, interiør og deler av den opprinnelige konstruksjonen som er fjernet under senere restaurering, malerier, relikvarier og de originale byggetegningene.