Issues des établissements religieux de Villeneuve lez Avignon, notamment l’abbaye Saint-André et la chartreuse du Val de Bénédiction, les œuvres constituant aujourd’hui les collections du musée sont le témoin du passé florissant de la cité cardinalice. Le "Couronnement de la Vierge", peint par Enguerrand Quarton entre avril 1453 et septembre 1454, est la pièce maîtresse des collections. Exécuté pour la chapelle funéraire du pape fondateur à la chartreuse du Val de Bénédiction à la demande des moines, il envoûte le regard tant par le chatoiement des couleurs que par l’organisation de l’espace qui allie, en une même image, le paradis, le monde des hommes, les limbes, le purgatoire et l’enfer. Commandées par les moines chartreux aux artistes les plus célèbres de leur temps, des oeuvres remarquables des XVIe et XVIIe siècles complètent la collection de peintures. Seuls ces artistes de grand talent, tels Simon de Châlons, Philippe de Champaigne, Nicolas Mignard ou Reynaud Levieux, furent capables de transcrire dans leurs œuvres la spiritualité cartusienne sans la trahir.
Sculptée dans une défense d’éléphant par un atelier parisien dans les années 1310, la Vierge en ivoire est également une pièce exceptionnelle de par ses dimensions, la préciosité des matériaux, la douceur des expressions et le raffinement des détails.