En el ala lateral izquierda mirando al Santuario, en la galería mariana por la que se accede al camarín se encuentra el museo del Santuario.
Eran muchos los objetos de valor y obras de arte que poseía el real Santuario y que a lo largo de los siglos habían ido enriqueciendo su patrimonio artístico, pero el expolio y destrucción del Santuario fueron causa de la desaparición y destrucción de muchas de ellas. no obstante, se recuperaron y se conservan piezas de cierto valor.
La inauguración oficial del “Museo Virgen de la Cabeza” tuvo lugar el 19 de abril de 1998 con asistencia de autoridades civiles, religiosas y de la guardia civil. Se ubica en las propias dependencias del Santuario y recoge una importante muestra artística, documental y antropológica del legado histórico que la devoción a la Virgen de la cabeza ha ido decantando a través de los siglos.
El museo está dividido en tres salas destacando en la primera los mantos de mayor significación histórica, así como un cuadro de la Romería del siglo XVII y la custodia donada por mussolini; en la segunda, se pueden contemplar los mantos regalados por los reyes de España y otras personalidades, varias reproducciones de la imagen de la Virgen de la cabeza, su jaula procesional, varias vitrinas con objetos de alta significación, etc. y en la tercera sala nos encontramos con una maqueta del Santuario a escala de 1/50, obra de D. Manuel Molina y la pinacoteca de la pintora Arsenia Tenerio sobre la Beata Isabel Canori Mora, entre otras posesiones cabe destacar:
Mantos:
El manto con que se apareció la Virgen en 1227 y diversos mantos como el de la coronación de 1909, bordado en oro fino sobre tisú de plata o el manto de la Recoronación de 1960, el donado por el rey Alfonso XIII y la reina M.ª Eugenia Victoria en 1917 en cumplimiento de una promesa, el delantal de la Virgen sobre tela original o el manto y delantal donado por la reina Isabel II en 1863 con ocasión de un viaje realizado a la ciudad de Andújar.
Cuadros:
Varios óleos entre los que destacan la obra del siglo XVII de Bernardo Asturiano denominada “La romería”. cuadro de gran valor artístico e histórico ya que refleja las costumbres de la Romería, trajes y tradiciones del siglo de su composición. obra del Bernardo asturiano. (en la bibliografía se adjunta un estudio pormenorizado de dicho cuadro con el nº6.- “La romería de la Virgen de la cabeza en una pintura del siglo XVII”- Varios autores. – edita: Publicaciones obra Social y cultural CajaSur, córdoba, 1997.- 147 págs.) El óleo sobre lienzo, también del siglo XVII, procedente de la colección particular de la familia González Orea.
Documentos:
- Estatutos de diversas cofradías de la Virgen de la cabeza como las de Castro del Río (córdoba), de 1646 obra realizada en piel de cordero; de Aguilar de la frontera (córdoba), de 1597 grecas a dos tintas.; de Úbeda (Jaén), de 1566;
- Estatutos de la Cofradía de la Virgen de la cabeza de Úbeda (Jaén). año de 1566, álbum de las fiestas del VII centenario de la aparición de nuestra Señora de la cabeza: 1227-1927, obsequio de concha mármol Vd. De Vallejo (año de 1956). Y las ordenanzas de la cofradía de la Virgen de la cabeza de Baeza (Jaén), de 1559, impreso en letra gótica sobre pergamino.
- La Ejecutoria del título de realeza a favor del Santuario de Sierra morena, concedido por el rey Alfonso XIII.
- Libro de oro del Real Santuario conteniendo las firmas de ilustres peregrinos como los reyes de España eméritos D. Juan Carlos y D.ª Sofia.
- Estudio filosófico-critico, por el Rvdmo. P. Miguel de San José, ministro General de PP. trinitarios. impreso en 1759.
- Novena a la Virgen, por Joaquín ripio, superior del convento trinitario de Andújar, impreso en 1862.
Objetos Significativos:
- Bastón de mando donado por D. Luis marzal subdirector de la guardia civil al final de su mandato.
- Fajín que se le impuso a la Virgen de la cabeza en su nombramiento como capitán general del ejército español.
- Jaula procesional de la imagen de la Virgen que data del Siglo XVI, reconstruida en 1960.
- Fósiles, minerales y monedas de época romana encontradas en Sierra morena así como restos de municiones utilizadas en el asedio al Santuario en 1936-1937.
Vasos Sagrados y otros Objetos de Culto:
- Cáliz, donado por la cofradía de Madrid.
- Vinajeras, donadas por los devotos como recuerdo de la peregrinación mariana a Lourdes en 1960.
- Custodia obsequio de Benito Mussolini, jefe del estado italiano, a este real Santuario con motivo de la restauración del mismo, 1945.
- Cáliz de la Recoronación obsequio del Excmo. Sr. obispo de Jaén D. Félix Mengíbar al real Santuario, con motivo de la Recoronación de la imagen de nuestra Señora.1960
- Rosario, en azabache y filigrana de plata.
- Cáliz, donante anónimo.
- Custodia en metal dorado y piedras preciosas, donada por la cofradía de la Virgen de la cabeza de Palma del río (córdoba), con motivo del año
- Jubilar Mariano 1959. (fue su fundador José Canovaca y Hermano mayor Juan de Dios Romero Raya).
- Mascarilla en cerámica de la imagen actual, realizada por el Licenciado en restauración, José Luís Ojeda navío.
- Talla de Cristo Crucificado, Atribución desconocida. Mediados del presente siglo. Está realizado en madera tallada y patinada. De 1 m. de ancho x 1’5 m. de alto. Es talla en madera, de estilo neobarroco, con influencia de la escultura religiosa de los años de la posguerra.