Il Museo Antico Tesoro del santuario è composto da 28 sale (2000mq) ed è ospitato nel braccio occidentale del Palazzo Apostolico.

Conserva il cosiddetto Tesoro della Santa Casa: dipinti, sculture, arazzi, maioliche, oggetti d’oreficeria e mobili provenienti dal santuario o donati alla Santa Casa nel corso dei secoli, che costituiscono un vasto ed eterogeneo patrimonio di arte e di fede, a testimonianza del prestigio raggiunto dalla Basilica Lauretana in tutto il mondo cristiano.

Fra i vari oggetti d'arte spiccano la prestigiosa collezione di ceramiche rinascimentali e i dieci arazzi raffaelleschi conservati nelle sale VII e VIII del Piano nobile realizzati su cartoni o copia di cartoni di Raffaello e ispirati ai testi biblici del Nuovo Testamento.

Nella raccolta dei dipinti sono da segnalare le otto opere della tarda maturità di Lorenzo Lotto, quasi tutte datate e dipinte fra il 1549 e il 1556: Battesimo di Cristo, Cristo e l'Adultera, i Santi Rocco, Cristoforo e Sebastiano (1531), San Michele caccia Lucifero, Adorazione dei Magi, Adorazione del Bambino, Sacrificio di Melchisedec e fra tutti l'estrema Presentazione al Tempio.  Il pittore si trasferì definitivamente a Loreto nel 1554 e vi morì nel 1556 circa nell'assoluto silenzio.

 La collezione delle maioliche dell'antica spezieria della Santa Casa, giudicata una delle più prestigiose del genere, è costituita da un primo nucleo di 350 esemplari, proveniente dalla bottega di Orazio Fontana , che venne donato alla basilica dal cardinale Giulio Feltrio De la Rovere, a cui si è aggiunta, nel 1631, una collezione di vasi, 111 pezzi, acquistati presso la bottega dei Patanazzi tutti istoriati con fatti biblici e scene mitologiche risalenti alle Metamorfosi di Ovidio, alla storia greca, sicula e romana.

Una terza raccolta contiene esemplari vari acquistati nel corso degli anni, comprende vasi da farmacia realizzati da Francesco Antonio Grue (1686-1746), ed una raccolta di statuine presepistiche risalenti par XVIII e XIX secolo.

Il Tesoro della Santa Casa conserva alcune superbe opere di oreficeria, tra cui un Crocifisso in argento modellato dal Giambologna (1524-1608) e donato alla Santa Casa da Cristina di Lorena nel 1573.