Las obras de arte virreinal muestran técnicas tradicionales de Quito y una gran maestría en sus acabados. Se encuentran principalmente distribuidas en la Sala de la Virgen, Antecoro, Sala Capitular, Refectorio y en los corredores de la segunda planta. Sus tesoros más preciados son el conjunto escultórico de la Dormición de María y la serie de pinturas murales de la vida de Santa Teresa de Jesús.
Una colección de pinturas modernistas de principios del siglo XX, obra del reconocido artista quiteño Víctor Mideros es otro de los tesoros imprescindibles del museo. Estos, junto a obras de Luis Ruiz, relatan la vida y el misticismo de Mariana de Jesús, de quien se cuenta ocurrió el prodigio de la azucena, en lugar hoy conocido como Patio de los Naranjos.