El Departamento de arte de los siglos XV-XVI asume su forma actual en 2008, cuando se aplica el Título IV del nuevo Reglamento interno de los Museos Vaticanos, que entró en vigor el 1 de octubre de ese mismo año (Reglamento de la Dirección de los Museos, Ciudad del Vaticano), con el cometido de estudiar, custodiar y poner en valor las «colecciones de pinturas y estatuas de los siglos XV y XVI que se exponen en la Pinacoteca, en las Galerías o en los Palacios Vaticanos, conservados en los almacenes, o bien, utilizados para la decoración de las sedes de representación pontificias o en inmuebles extraterritoriales del Estado de la Ciudad del Vaticano». Por otra parte, son también de competencia del Departamento «pinturas murales y conjuntos de piezas decorativas pertinentes a los monumentos de carácter histórico-artístico» de igual cronología, confiados a la Dirección de Museos y Bienes Culturales.

Los orígenes del Departamento se remontan a 1932 cuando, después de la Ley de 1 de diciembre y del Reglamento de 5 de diciembre, las colecciones que en aquel entonces formaban los Monumentos, Museos y Galerías pontificias se subdividieron en tres secciones, entre las cuales la sección Medieval-Moderna, encomendada en 1933 a la dirección de Deoclecio Redig De Campos (1905-1989). En 1971, cuando entró en vigor el nuevo Reglamento y los Museos se dividieron en Departamentos, se instituyó el de Arte bizantino, medieval y moderno, dirigido a partir de ese mismo año por Fabrizio Mancinelli. Después de su fallecimiento en 1994, se encomendó el Departamento a Arnold Nesselrath, que ocupó el cargo hasta 2017.

El patrimonio artístico de competencia del Departamento comprende complejos pictóricos y arquitectónicos de extraordinaria relevancia histórica y cultural, como los frescos de la Capilla Sixtina, tanto los recuadros de las paredes con Historias de Moisés, Historias de Cristo y Retratos de Pontífices encargados por el papa Sixto IV Della Rovere (1471-1484) y ejecutados entre 1481 y 1482 por maestros del calibre de Sandro Botticelli, Domenico Ghirlandaio, Pietro Perugino, Cosimo Rosselli y Luca Signorelli, como la bóveda, en cuyo centro están representadas las Historias del Génesis y la pared del altar con el Juicio Universal —obras ejecutadas por Miguel Ángel respectivamente en tiempos de Julio II Della Rovere (1503-1513) y de Pablo III Farnese (1534-1549); las Estancias de Rafael (Estancia del Sello, Estancia del Heliodoro, Estancia del Incendio del Borgo y Sala de Constantino), que antes formaban parte del apartamento en la segunda planta del Palacio Pontificio, donde vivían el papa Julio II y sus sucesores, y pintadas al fresco por el Maestro de Urbino y su escuela entre 1508 y 1524; la Galería de los Mapas Geográficos, un pasillo de 120 metros decorado en tiempos de Gregorio XIII Boncompagni (1572-1585), bajo la dirección de Girolamo Muziano y Cesare Nebbia y con el asesoramiento del matemático y geógrafo Ignazio Danti, en cuyas paredes figuran decenas de mapas de las regiones de Italia, de las cuatro principales ciudades portuarias italianas (Civitavecchia, Génova, Ancona y Venecia) y dos escenas del asedio turco de Malta en 1565 y de la batalla de Lepanto de 1571 y, a su vez, varios episodios religiosos que tuvieron lugar en las regiones representadas en las paredes inferiores.

No son menos significativos otros dos espacios que incluye el circuito de visita de los Museos: la Capilla Nicolina, cuyos frescos se remontan a los últimos años de Nicolás V Parentucelli (1447-1455), pintados por el Beato Angélico con Historias de San Esteban y San Lorenzo en las paredes y con las figuras de los Evangelistas y los Doctores de la Iglesia en la bóveda (1448-50), y el Apartamento Borgia, una serie de salas que llevan el nombre del controvertido Pontífice que vivió allí —el catalán Alejandro VI Borgia (1492-1503)— caracterizados por una suntuosa decoración pictórica, en la que trabajaron Pinturicchio y su escuela entre 1492 y 1494.

Son también de competencia de este Departamento algunas salas de excepcional importancia histórico-artística, que por su particular ubicación en el Palacio y su uso litúrgico y ceremonial a lo largo de los años, están cerradas al gran público. Se trata de: la Capilla Paulina, reservada al culto privado del Pontífice y pintada al fresco por Miguel Ángel entre 1542 y 1550, con la Conversión de Saulo y la Crucifixión de San Pedro (testamento espiritual de Miguel Ángel Buonarroti al ser la última obra pictórica que realizó el artista); la Sala Regia, iniciada por Perin del Vaga y decorada entre 1541 y 1573 aproximadamente por artistas como Francesco Salviati, Orazio Samacchini, Livio Agresti, Giorgio Vasari, los hermanos Zuccari y otros; la Sala Ducal, decorada bajo Pío IV Medici y Gregorio XIII por una multitud de artistas, entre los cuales destacan Lorenzo Sabatini y Raffaellino da Reggio, acompañados por Cesare Piemontese, Matteo Brill, Paris Nogari y Matteino da Siena; las dos Salas de los Ornamentos y su “Galleriola”, decorada con frescos de Mario Sabatini y Marco da Faenza (1576-77), entre otros, y un Pentecostés de Girolamo Muziano (1576-78); las dos Logias de Giovanni da Udine, en las plantas primera y tercera del Palacio Apostólico; la propia Loggia de Rafael y la Loggetta de Bibbiena, en la segunda y tercera planta de la misma ala, partes de dos campañas decorativas distintas encargadas al artista de Urbino respectivamente por el papa León X (1516-19) y por el cardenal Dovizi da Bibbiena (1516); más otras salas de gran valor arquitectónico y artístico, vinculadas a la naturaleza y a la identidad misma del Palacio Pontificio. El Departamento tiene el cometido de vigilar e investigar sobre todos estos espacios, así como de supervisar su estado conservativo.

Además de las responsabilidades ya mencionadas, el Departamento, por último, tiene el cometido de tutelar y poner en valor la colección de pinturas de los siglos XV y XVI de la Pinacoteca Vaticana. La Pinacoteca, que se creó a partir de dos notables núcleos que se remontan a 1770 y 1790, respectivamente bajo los pontificados de Clemente XIV Ganganelli (1769-1774) y de su sucesor Pío VI Braschi (1775-1799), alberga obras maestras de algunos de los principales maestros del Renacimiento italiano, como Beato Angélico, Filippo Lippi, Melozzo da Forlì, Carlo Crivelli, Giovanni Bellini, Perugino, Leonardo, Rafael, Giulio Romano, Tiziano, Veronese, Federico Barocci y Ludovico Carracci, entre muchos otros.