Una parte delle collezioni oggi conservate nella sede di Santa Caterina proviene dalla sede storica dei Musei civici di Treviso intitolati alla figura carismatica di Luigi Bailo (1835-1932) che ne fu fondatore e dal 1879 primo responsabile (a titolo gratuito).
Un altro suo importante impegno, documentato dai manoscritti autografi e dai primi inventari conservati nell'archivio dei Musei Civici, fu il salvataggio del patrimonio urbano di affreschi, della cui necessità egli fu particolarmente consapevole, seguendo i numerosi cantieri che a fine Ottocento stavano comportando la distruzione di edifici storici e la conseguente perdita delle correlate superfici pittoriche. In questo senso il recupero più importante fu quello del ciclo con le Storie di Sant'Orsola di Tomaso da Modena dalla chiesa sconsacrata di Santa Margherit.
Dal 2006 vi si trova l'allestimento permanente della sezione archeologica e quello provvisorio della galleria d’arte medievale, rinascimentale e moderna. Nella chiesa, oltre ai restituiti affreschi parietali, sono visibili dal luglio 2008, con rinnovata disposizione, i telai con gli affreschi staccati delle Storie di S. Orsola di Tomaso da Modena.