La Catedral de El Burgo de Osma conserva uno de los archivos históricos más importantes de España. Dentro de esta amplia colección, la obra más destacada es el Códice Beato de Osma. Este texto medieval del año 1086 contiene los comentarios al Apocalipsis de Beato de Liebana. Fue copiado en un monasterio del reino de León por Petrus y decorado por Martinus. El Códice contiene 72 miniaturas. La más destacada de ellas es el Mapamundi.
El Sepulcro de San Pedro de Osma es una de las obras más importantes de la escultura funeraria medieval en España. Es un sepulcro de piedra caliza policromada esculpido a mediados del siglo XIII. Destaca la excelente conservación de la policromía original. En la tapa está representada la imagen de San Pedro de Osma rodeado de fieles y peregrinos. Los relieves de las cuatro caras del sepulcro cuentan los milagros del santo desde que llegó a Osma hasta su muerte.
El Santo Cristo del Milagro es la escultura más antigua que se conserva en la Catedral. Es una talla románica de procedencia francesa realizada hacia el año 1100.
Tanto la cronología de esta escultura como su origen, lo relacionan directamente con la figura de San Pedro de Osma y la construcción de la Catedral románica.
El Retablo Mayor es una de las grandes obras escultóricas de la Catedral. Fue realizado por Juan de Juni y Juan Picardo entre 1550 y 1554 y está dedicado a la vida de la Virgen María. Juan de Juni, uno de los grandes maestros escultores de la escuela castellana en el siglo XVI, deja aquí muestra de su calidad artística, junto a la obra de Juan Picardo, que en absoluto desmerece al genio de Juni.
El Museo Catedralicio y Diocesano está situado en las antiguas dependencias y capillas del claustro. En estas salas se expone una importante colección de arte sacro, pintura, escultura, orfebrería, ornamentos, testimonio de la historia de esta Catedral y su diócesis. Parte de las obras recogidas en las salas del museo, proceden de poblaciones y parroquias situadas en zonas deshabitadas o con pocos habitantes.