Le département consacré au Patrimoine de Cambrai permet au public de se familiariser avec l'histoire surprenante et atypique de Cambrai et de découvrir les vestiges d'un patrimoine remarquable, témoin du rayonnement culturel de la cité du XII^ème au XVIII^ème siècle. L'ensemble le plus rare provient de l'abbaye fondée sur le site du Mont-des-Boeufs par l'un des premiers évêques de Cambrai, Saint Géry, et détruite par Charles Quint en 1543 pour y élever la citadelle.
Une pièce spectaculaire datant de 1541 partage en deux la première salle du patrimoine: la clôture de chœur en pierre bleue de la chapelle de l'hôpital Saint-Julien, premier établissement charitable fondé à Cambrai. Passé la porte de ce jubé, on entre dans l'espace consacré à l'ancienne cathédrale de Cambrai, "merveille des Pays-Bas", vendue comme bien national sous la Révolution et démolie pierre à pierre. Elle était décorée d'une centaine de sculptures en albâtre. Dix seulement nous sont parvenues, dont un Saint-Sébastien, chef-d'oeuvre de la fin du XVI^ème siècle.
Un grand tableau de Van der Meulen, fourmillant de détails précis, et un bas-relief symbolique rappellent un moment capital pour la ville: la prise de Cambrai par Louis XIV en 1677. La cité des Pays-Bas méridionaux passe alors en territoire français. L'objet le plus spectaculaire de cette seconde partie est sans conteste le char de procession des chanoinesses de Sainte-Aldegonde de Maubeuge, pièce unique dans les collections françaises, datant de la première moitié du XVIII^ème siècle. Il servait à porter en procession les reliques de Sainte-Aldegonde à travers la ville de Maubeuge.