L’intuizione di destinare l’antico palazzo dei vescovi di Feltre a museo diocesano ha origine durante l’episcopato di Pietro Brollo (1996-2001) e si traduce presto in un progetto teso al recupero - nella prima fase dei lavori - dell’ala orientale dell’edificio.

Il progetto trova consensi e risorse e nel 2007 il vescovo Giuseppe Andrich (2004-2016) inaugura nella nuova sala conferenze il primo nucleo del museo, costituito da 9 sale espositive allestite con alcune delle opere d’arte più importanti del territorio diocesano.
L’anno seguente si predispone un nuovo progetto per il completamento dell’ala ovest e le necessarie indagini archeologiche, cui seguirà quello per la sistemazione degli spazi esterni: i lavori verranno avviati nel 2010. Nel 2016 si perfeziona lo studio museografico e museologico, finalizzato alla ridefinizione dell’allestimento e del nuovo percorso espositivo organizzato per nuclei tematici, che interessa ora ben 25 sale.

L’11 maggio 2018, il ventennale, paziente e filologico intervento si conclude con la benedizione del nuovo Museo Diocesano Belluno-Feltre da parte del vescovo Renato Marangoni.

La complessa operazione è stata possibile negli anni grazie alla collaborazione tra Diocesi di Belluno-Feltre, Regione del Veneto, Comunità Montana Feltrina, Soprintendenze per i Beni Artistici e Storici, per i Beni Architettonici e Ambientali e per i Beni Archeologici del Veneto e con il fondamentale contributo di Fondazione Cariverona.
Il museo è gestito dall’Associazione Ars Sacra ed è in rete con il sistema museale provinciale. Collabora in particolare con il Museo civico e la Galleria d'arte moderna "Carlo Rizzarda" di Feltre. È iscritto all'Associazione Musei Ecclesiastici Italiani.

Alle finalità di tutela e valorizzazione delle opere di arte sacra presenti nel territorio, il museo affianca numerose iniziative didattiche e divulgative quali mostre, convegni, conferenze, concerti e laboratori per le scuole.