Le Département de l’Art byzantin et médiéval existe en tant que tel depuis 2008, suite au nouveau Règlement des Musées du Vatican, lorsqu’il est détaché du Département de l’Art byzantin médiéval et moderne. Il s’occupe de la tutelle du patrimoine artistique des Musées et du Palais apostolique pour la période comprise entre la fin du haut Moyen Âge et le gothique tardif, ainsi que des icônes.
Sa mission comprend la tutelle, la mise en valeur et l’étude de ce qui reste des œuvres murales et décoratives de l’ancien Palais pontifical du Vatican, dont la fondation et le développement progressif datent des papes Eugène III (1145-1153), Innocent III (1198-1216) et Nicolas III (1277-80).
Il ne reste de la décoration picturale pariétale de ces époques que quelques fragments retrouvés lors de remaniements postérieurs. Les fresques les plus anciennes se trouvent au premier étage de la Tour d’Innocent III, tandis que de la vaste campagne décorative de Nicolas III, des frises fragmentaires sont apparues dans plusieurs pièces du palais qu’il avait fait construire (on les appelle aujourd’hui Salle de la « Falda », Cubiculum de Nicolas V, Sala Vecchia degli Svizzeri, Salle des Grisailles). De l’ancien Palais, on conserve la « Marescalcia » et les dépôts de blé.

Le Département contrôle l’état de conservation des œuvres mobiles et murales du Moyen Âge des quatre principales basiliques romaines.
Une attention particulière est accordée à la collection de peintures médiévales exposées dans les deux premières salles de la Pinacothèque, qui expose les grands protagonistes de la peinture de l’époque (Margaritone, Simone Martini, Lippo Memmi, Ambrogio Lorenzetti, Giotto, Puccio Capanna, Vitale da Bologna), mais aussi ceux du premier Quattrocento (Gentile da Fabriano, Olivuccio di Ciccarello, Sano di Pietro et Giovanni di Paolo). Depuis 1978, les icônes sont rassemblées dans la salle XVIII, qui est entièrement consacrée à l’art oriental. Presque toutes les peintures proviennent du Musée sacré de la Bibliothèque apostolique vaticane, où la collection débuta en 1820 avec l’idée de documenter les origines et les vicissitudes du Christianisme grâce à ces témoignages iconographiques précieux. Saint Pie X (1903-1914), qui leur reconnaissait leur valeur d’œuvres d’art, fit transférer la « collection des Primitifs » dans la Pinacothèque vaticane (1909). C’est à Pie XI (1922-1939) qu’on doit enfin le bâtiment actuel, construit expressément selon les critères de conservation les plus actuels à l’époque, et où furent placées toutes les peintures de l’ancienne Pinacothèque (1932).