Il museo ha sede nell’antico Spedale Nuovo sorto alla metà del XIII secolo per volere del papa Alessandro IV e adibito a “pellegrinaio” per ricordare l’avvenuta riconciliazione di Pisa con la sede apostolica. La costruzione dello Spedale fu condotta da Giovanni di Simone, secondo alcuni autore anche del Camposanto monumentale.
L’edificio rimase adibito ad ospedale fino al 1969, quando se ne decise la ristrutturazione per ospitare il Museo delle sinopie. Il 27 luglio del 1944 una granata dell’artiglieria americana aveva colpito infatti il tetto del Camposanto incendiandolo e provocando le colate di piombo fuso sugli affreschi che ne ricoprivano le pareti. 

L’unico rimedio ritenuto allora possibile per la conservazione dei dipinti fu il distacco mediante la tecnica dello “strappo”: tale operazione portò alla scoperta delle “sinopie”, disegni preparatori ad ocra rossa sottostanti agli affreschi. Anche queste, data la loro deperibilità, furono così staccate e trasportate all’interno del nuovo museo, progettazione, allestimento e ordinamento espositivo del quale si devono a Giovanna Piancastelli Politi, Gaetano Nencini e Antonino Caleca.

Si tratta della più vasta raccolta di disegni medievali al mondo, nei quali l’artista rivela appieno le sue capacità nell’idea creativa di getto. Così è spesso possibile distinguere mani diverse nei vari brani disegnativi, anche laddove, nell’opera finale, si constata una certa uniformità stilistica, come nella Crocefissione attribuita a Francesco Traini (1335) e nel ciclo Trionfo della Morte, Giudizio finale e Tebaide, opera probabilmente di Buonamico Buffalmacco. Nel museo si conservano anche le sinopie dei cicli più tardi, tardo trecenteschi e quattrocenteschi, tra cui le Storie di Giobbe di Taddeo Gaddi, le Storie di S. Ranieri di Andrea Bonaiuti e le Storie veterotestamentarie di Benozzo Gozzoli.