Nel corso dei secoli il santuario, dietro donazioni rilasciate dai fedeli, costituì un patrimonio di oreficeria e di oggetti d'arte di straordinario valore. Parte del "tesoro" della Santa Casa (stimato in sette milioni in oro e argento alla fine del sec. XVIII) lasciò Loreto alla volta di Roma nascosto in grosse botti su carri agricoli per sfuggire alle depredazioni napoleoniche: non fece mai più ritorno. La restante parte fu saccheggiata dai francesi.

Quello ricostituitosi dopo il 1815, venne rubato nel 1972. Restano tuttavia, custodite nelle 28 sale del museo della Santa Casa, opere d'arte di immenso valore artistico. Tra tutte campeggiano le ultime opere di Lorenzo Lotto, la meravigliosa collezione di maioliche urbinati (oltre 500 pezzi) delle botteghe di Orazio Fontana e dei Patanazzi donata al santuario dai duchi di Urbino; gli arazzi fiamminghi tessuti su cartoni di Raffaello Sanzio. Si possono inoltre ammirare i preziosi mobilii e la stanza dove i pontefici in visita a Loreto hanno sempre dormito. Di particolare bellezza sono i cartoni preparatori del Maccari per gli affreschi della cupola. Opere di artisti contemporanei danno continuità alla tradizione artistica del santuario.