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. Hay que lamentar las pérdidas irreparables acaecidas durante la Guerra Civil.
El museo está dividido en tres salas:
Primera sala
En la primera se encuentra un cuadro que refleja la Romería en los años del siglo XVII, cuyo autor es Bernardo Asturiano.
Así mismo, en una vitrina, nos encontramos con un manto azul y las sayas de la Imagen de la Virgen y del Niño. Este manto se impuso en el año 1960 con motivo de la Recoronación Canónica y el nombramiento de Patrona de la Diócesis por el Papa Juan XXIII.
Podemos observar, también, un cuadro representativo de la Aparición, cuya autoría se atribuye a Juan de Bolaños y que fue donado al Santuario por la familia del ilustre escultor andujareño D. Antonio González Orea.
Destacan también en esta sala, entre otras, la terna litúrgica elaborada por Dª Concha Mármol y la Custodia donada por Benito Mussolini, verdadera obra de arte.
La Ejecutoria del título de realeza a favor del Santuario de Sierra Morena, concedido por el Rey Alfonso XIII.
Segunda sala
En la segunda sala, hay que destacar la vitrina expositora con diversos mantos, entre los que destacan los regalados por la Reina Isabel II en su visita al Santuario en 1862 y el regalado por su nieto Alfonso XIII.
Hay varias reproducciones de la Imagen de la Virgen entre las que destaca La Peregrina, copia de la tallada por Navas Parejo y que está expuesta al culto en el Camarín.
Una jaula de camino, procedente del siglo XVI que se ha ido transformando a lo largo de los siglos y diversas vitrinas con objetos de valor histórico, como pueden ser las mitras y Cruces Pectorales de diversos Obispos, Libro de Oro del Santuario etc.
Antes de entrar en la tercera sala, puede observarse el Altar con Sagrario, recubierto de plata, que estuvo en el presbiterio hasta la modificación obligada al convertir el Santuario en Basílica Menor en 2009.
Tercera sala
Ya en la tercera sala, podemos ver una maqueta del Santuario, a escala 1/50, ejecutada por D. Manuel Molina y una exposición de la pintora manchega Dª Arsenia Tenorio, representando la vida de la beata Isabel Canori Mora.
Entre otras posesiones cabe destacar:
- La reliquia del 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 Mª 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.
- Estatutos de diversas cofradías de la Virgen de la Cabeza como las de Castro del Río (Córdoba), de 1646; de Aguilar de la Frontera (Córdoba), de 1597; de Úbeda (Jaén), de 1566; y las Ordenanzas de la Cofradía de la Virgen de la Cabeza de Baeza (Jaén), de 1559.
- Bastón de mando donado por D. Luis Marzal, General 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.
