El Museu de Lluc es va inaugurar el 1952 i està situat a la primera i segona planta del santuari. En aquesta primer etapa estava dedicat íntegrament a l’arqueologia.

Va ser l’any 1971 Antoni Mulet Gomila va fer donació de les seves col.leccions d’elements d'indumentària popular, ceràmica, imatgeria, mobiliari tradicional, joieria i pintura. El 1984 s’hi afegeix una apreciable mostra de pintura i escultura. Josep Coll Bardolet fa dues donacions diferents, l’any 1989 i el 1995.

El 2004 es crea una sala d’artesania tèxtil mallorquina, la sala Bujosa Rosselló. Actualment el museu està dividit en vuit sales diferents.

A la sala d’arqueologia hi ha una col·lecció de més de 300 monedes de diferents èpoques. També es vol recordar l’arqueòleg Cristòfol Veny i la seva feina i troballes a la Cova de Sa Cometa dels Morts. Vitrines dedicades al món pretalaiòtic i talaiòtic i restes d’àmfores.

A la sala dels Tresors hi ha peces d’ordre litúrgic i ornaments de la dona mallorquina.

A la sala de la cambra mallorquina es recrea una habitació barroca amb tots els seus elements decoratius. La segueix la sala d’imatgeria sacra.

A la sala de ceràmica hi ha una de les col·leccions més importants de Mallorca. Distribuïda en tres espai, un dedicat a Mallorca, un altre a Catalunya i València i la tercera a la zona aragonesa.

La sala de Josep Coll Bardolet compta amb un total de 236 obres de l’artista afincat a Valldemossa.

Ja al segon pis hi ha la pinacoteca, amb obres d’autors com Buades, Mayol, Mestre, Ribas, Cerdà, Hubert, Anckerman. La majoria són del segle XIX i XX, però també n’hi ha del XVII i XVIII.

La darrera sala està dedicada al món tèxtil, amb creacions modernes que contrasten amb tradicionals.