Gli edifici che ospitano una delle più importanti collezioni d’arte del mondo erano in origine i palazzi rinascimentali costruiti per papi come Sisto IV, Innocenzo VIII e Giulio II..Gran parte dei successivi ampliamenti risalgono al XVIII secolo, quando le opere d’arte collezionate dai papi furono esposte per la prima volta. Alla struttura dei musei appartengono anche la Cappella Sistina e le Stanze di Raffaello:

Museo Etrusco – La collezione etrusca conserva una spilla d’oro (fibula) proveniente dalla tomba Regolini-Galassi, del VII secolo a.C.,a Cerveteri, a nord di Roma.
Museo Pio-Clementino – Le più pregevoli tra le statue classiche sono esposte qui, come l’Apollo del Belvedere, copia romana in marmo di una statua greca in bronzo del IV secolo.
Museo Egizio – Il museo fu allestito da padre Ungarelli, un egittologo del XIX secolo. La collezione di manufatti egizi include un bassorilievo dipinto di una tomba del 2400 a.C.
Museo Pio Cristiano – Contiene immagini classiche della prima cristianità; molto suggestiva è una statua del IV secolo, che rappresenta Cristo come il Buon Pastore.

Cappella Sistina – Le massicce pareti della Cappella Sistina furono affrescate da alcuni dei maggiori artisti dei secoli XV e XVI. I dodici dipinti sulle pareti sono opera di Perugino, di Botticelli e Ghirlandaio, Rosselli e Signorelli, e rappresentano scene della vita di Mosè e di Cristo.La decorazione dei muri della cappella fu terminata tra il 1534 e il 1541, quando Michelangelo dipinse, sulla parete dell’altare principale, l’affresco del Giudizio universale.
La volta fu affrescata da Michelangelo tra il 1508 e il 1512 per papa Giulio II. Tema del ciclo pittorico, popolato da oltre 300 figure, sono la creazione e la caduta dell’uomo: al
 centro le raffigurazioni di eventi narrati nella Genesi, tutt’attorno altri episodi dell’Antico Testamento, con la sola eccezione delle sibille, presenti  perché avrebbero predetto la nascita di Cristo. Restaurata nel 1990, nell’aprile del 2005 vi si sono svolte le elezioni di papa Benedetto XVI.

Le Stanze di Raffaello – Gli appartamenti privati di papa Giulio II furono realizzati nei locali in cui aveva abitato il suo odiato predecessore, Alessandro VI Borgia, morto nel 1503. Per ridecorare le quattro sale, il papa chiamò Raffaello che cominciò il lavoro con i suoi allievi nel 1508. Per fare spazio ai nuovi affreschi vennero distrutte numerose opere tra cui anche alcune del Perugino e di Lorenzo Lotto. La decorazione delle stanze richiese più di 16 anni e Raffaello non ne potè vedere la conclusione.