Nella sacrestia vecchia è sistemato il ciclo di affreschi staccati, provenienti dalla Chiesa di S. Domenico di Urbino che, assieme alla Trinità da Casteldifabbri, testimoniano l’attività di Antonio Alberti da Ferrara (fine XIV-inizi XV secolo) che a dispetto della sua origine emiliana è l’espressione più originale del Gotico Internazionale prodotto nel Ducato di Urbino.

Nello stesso contesto, sono collocati i dipinti afferenti alla cupola cinquecentesca della Cattedrale opera di Battista Franco (1510 ca.-1561), pittore che si inserisce nella maniera italiana e che guarda a Michelangelo come primo modello. I codici miniati provenienti dalla Cattedrale, attestano l’attività di committenza artistica del Capitolo della Cattedrale. Accanto ai corali trecenteschi, spicca per ricchezza e qualità della decorazione, il messale realizzato da un’anonima bottega di miniatori di cultura centro-italiana, nel quale i capilettera istoriati descrivono i momenti liturgici più importanti dell’anno. Questi artisti raccontano un momento di passaggio dalla cultura fiorita e preziosa del Gotico Internazionale a quella del Rinascimento. Capolavoro della cultura prospettico-rinascimentale, che riconosce ad Urbino il titolo di centro dell’ “umanesimo matematico” è il messale recante miniature di Bartolomeo della Gatta (1448-1502), che indugia sulla cultura prospettica di Piero della Francesca (1416 ca.1492), citando, nel Martirio di Sant’Agata, la celeberrima scena della Flagellazione. Nei mobili della sacrestia, pensati fin dal XVIII secolo come contenitori per la conservazione e l’esposizione di oggetti d’arte, è possibile ammirare pregevoli argenti ed oggetti liturgici provenienti dalla Cattedrale, maioiche e ceramiche prodotte a Urbino, Urbania e Pesaro esempi di quella scuola metaurense, riferimento imprescindibile per la produzione di tali manufatti dalla metà del XVI alla fine del successivo, in un’ottica internazionale.