Kolekcja sztuki średniowiecznej MNP jest nieduża, ale za to różnorodna. Jej podstawę stanowią dzieła pozyskane w XIX w. przez Poznańskie Towarzystwo Przyjaciół Nauk, niemieckie Towarzystwo Historyczne Prowincji Poznańskiej i Provinzial Museum. Po II wojnie światowej do kolekcji włączony został także gołuchowski zbiór sztuki tego czasu, należący dawniej do Izabeli z Czartoryskich Działyńskiej. Galeria Sztuki Średniowiecznej – jako odrębna kolekcja – przed 1939 r. nie istniała. Jej powojenne powstanie było zasługą Gwidona Chmarzyńskiego pierwszego powojennego dyrektora Muzeum Wielkopolskiego.

Zbiór średniowieczny, wchodzący wówczas w skład Galerii Rzeźby, po II wojnie światowej zasiliło 9 rzeźb drewnianych niewiadomej wielkopolskiej proweniencji, które zastano w lutym 1945 r. w magazynach muzealnych. Również wtedy Chmarzyński rozpoczął akcję zabezpieczania podworskiego i poniemiemieckiego mienia artystycznego, czyniąc jednocześnie z muzeum – jako najdalej wysuniętego na zachód – miejsce centralnej zbiornicy dla obszarów Wielkopolski, Kujaw, Ziemi Lubuskiej oraz Pomorza Zachodniego. Kolekcja średniowieczna w znacznym zrębie uformowała się do 1947 r. Zwieziono wówczas do muzeum 64 rzeźby, które w dużej mierze zadecydowały o charakterze zbiorów średniowiecznych: 8 zabytków z Wielkopolski i Kujaw; 11 obiektów pochodzenia obcego, przywiezionych z majątków wielkopolskich; 15 z Ziemi Lubuskiej i 30 z Pomorza Zachodniego.

Obecnie kolekcja sztuki średniowiecznej MNP liczy 152 zabytki sztuki sakralnej pochodzące z Wielkopolski, Ziemi Lubuskiej oraz Pomorza Zachodniego. Zbiór ten uzupełniają depozyty z terenu Dolnego Śląska, a także pojedyncze przykłady plastyki południowoniemieckiej i lotaryńskiej. Na ekspozycję składają się dzieła rzeźby kamiennej, drewnianej i malarstwa tablicowego stworzone w okresie od końca XII do początków XVI w. Najstarsze dzieła to późnoromański fragment głowy Chrystusa ze spalonego tympanonu ze Strzelna oraz Krucyfiks z Marianowa – rzadki w polskich zbiorach muzealnych tak stary krucyfiks, łączący cechy stylowe dwóch epok: romanizmu i gotyku. Najbardziej reprezentatywne dla sztuki XIV-wiecznej są Madonna z Dzieciątkiem z Lotaryngii (Warsztat z Toul, ok. 1330) oraz Tryptyk Mariacki z Szydłowa (warsztat lubuski, koniec XIV w.) – nieczęsto spotykany w polskich zbiorach rodzaj nastawy dedykowany Najświętszej Marii Pannie i Kolegium Apostolskiemu. Najlepiej reprezentowany w kolekcji sztuki średniowiecznej jest okres przełomu XV i XVI w. Z tego czasu pochodzi m.in. figura Chrystusa na osiołku, będąca jedną z dwóch rzeźb tego typu w zbiorach polskich.

Głównymi obszarami tematycznymi wystawy są dzieła ilustrujące mękę Chrystusa, ikonografia maryjna oraz wizerunki świętych. Układ galerii pozwala śledzić przemiany, jakim podlegała sztuka średniowieczna: od romanizmu przez idealizujący styl XIV w., po przełom XV i XVI w. Prezentowane zabytki należą do obszaru sztuki sakralnej i dawniej służyły celom kultowym. Ekspozycja ukazuje różnorodność tych przedmiotów, które niegdyś wypełniały średniowieczne kościoły: od poliptyków (retabulum z Szydłowa) i pozostałości nastaw ołtarzowych (figury z Pomierzyna i Sławęcina) przez pojedyncze rzeźby kultowe (dwie rzeźby w typie głowy św. Jana Chrzciciela na misie) i przedstawienia dewocyjne (Pieta z Jeżewa), po figury fundatorów (posąg księżnej Salomei Głogowskiej). Szczególną uwagę warto poświęcić dziełom najważniejszych europejskich warsztatów: Madonnie z Dzieciątkiem wykonanej w, Skrzydłom nastawy z Dzikowic, stworzonym przez sławnego śląskiego Mistrza Ołtarza z Gościszowic, Chrystusowi na osiołku powstałemu w Ulm, w pracowni Erhartów i Madonnie ze sceny Zwiastowania przypisywanej kręgowi Tilmana Riemenschneidera. Równie ciekawe są zabytki z Galerii Sztuki Średniowiecznej prezentowane w Zamku w Gołuchowie, jak pochodząca z Niderlandów św. Urszula. Ta zakupiona w Paryżu w 1852 r. przez Czartoryskich łączona jest z twórczością Jana van der Weerda.