Accediendo al segundo piso llegamos a la ampliación del museo del año 2010. Éstas eran las antiguas dependencias de la biblioteca catedralicia. Nada más acceder a este espacio nos ubicamos en el primero de los ámbitos, dedicado al arte gótico. En este espacio destacamos el San Martin de Tours procedente de la ermita dedicada al santo en la localidad de Majones (Huesca), la tabla de la Virgen de Sorripas (Huesca) o el conjunto gótico dedicado a la Epifanía de la propia catedral. En la planta baja, situado en una de las antiguas capillas claustrales, podemos admirar el frontal de altar procedente de la ermita de Santa María de Iguácel.
En el ámbito Gótico se exhibe una selección de piezas pictóricas y escultóricas ejecutadas entre los siglos XIII y XV que muestran la sucesiva evolución del estilo, caracterizado por la búsqueda de un mayor naturalismo y la representación de unos personajes cada vez más humanizados.