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. L’edificio rimase adibito ad ospedale fino al 1969, quando se ne decise la ristrutturazione per ospitare il Museo delle Sinopie. Infatti nel 1944 i quadri del Camposanto erano stati fortemente danneggiati da una granata dell'artiglieria americana. Questa fece sì che del piombo liquido scivolasse sulle opere, il cui salvataggio fu possibile mediante la tecnica dello "strappo" che portò alla scoperta delle “sinopie”, disegni preparatori ad ocra rossa sottostanti agli affreschi. 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. Le sinopie esposte vanno dal XIV-XV secolo in poi.