Il complesso, che dal 1949 è sede del Museo Nazionale di San Matteo, è una parte dell'antico convento della monache di San Matteo di regola benedettina che affiancava il lato nord della chiesa omonima risalente al secolo XI. L'edificio in origine era costituito da un unico corpo parallelo alla chiesa con finestre a bifora. Ad esso si aggiunsero (sec. XIII) i corpi laterali che vennero così a chiudere al loro interno un cortile quadrangolare circondato su tre lati da un porticato, sormontato da gallerie con apertura a bifora, ristrutturato nel secolo XVI. Anche nel XIX secolo l'edificio subì vaste modifiche, in particolar modo al piano terra.

In vari ambienti sono visibili numerosi frammenti dell'originaria decorazione pittorica delle pareti caratterizzata da motivi geometrici, analoghi a quelli che decoravano gli interni degli edifici civili pisani (casetorri). Passato al demanio in seguito alle soppressioni dei beni conventuali nel XIX secolo, il complesso fu destinato a carcere giudiziario e dopo la seconda guerra mondiale ristrutturato per accogliere il museo.

La raccolta ebbe inizio alla fine del '700 e fu continuamente arricchita da lasciti, acquisizioni e donazioni. Il museo e' importante soprattutto per le sculture pisane, i dipinti toscani e di altre scuole dal XII al XV secolo e le ceramiche medioevali islamiche e pisane. Tra i capolavori medievali un polittico di Simone Martini con la Vergine col bambino e santi (1321), la Croce di Fucecchio di Berlinghiero, una Bibbia di Calci miniata (XIII secolo) e la statua della Madonna del latte, attribuita a Nino Pisano, un mezzobusto in marmo dorato, che ritrae la Madonna in atto di allattare il bambino.

Molto interessante è la collezione del primo Rinascimento, con un San Paolo di Masaccio (1426), la ridente Madonna col bambino di Gentile da Fabriano, la Madonna col bambino di Beato Angelico e il busto-reliquiario di San Rossore, opera bronzea di Donatello (1424-1427).

Purtroppo, come altri monumenti di Pisa, anche il Museo Nazionale risente di una certa incuria, nonostante la straordinarietà delle collezioni, con croniche chiusure parziali e un corredo informativo molto antiquato e lacunoso, con molte opere non etichettate e le sale che conducono al chiostro non numerate.