La Cartoteca è stata istituita agli inizi degli anni '80 da un gruppo di studiosi con lo scopo di documentare la conoscenza storica del territorio regionale attraverso il reperimento, lo studio, la catalogazione, l'acquisto, la conservazione di carte geografiche, cartografie tematiche, atlanti, stampe, fotografie, incisioni ed altri documenti grafici, bibliografici ed audiovisivi inerenti la rappresentazione e la storia del territorio. Dopo una serie di lavori di restauro, resi necessari a causa del terremoto del '97, l'edificio che ospita la Cartoteca è stato riaperto al pubblico il 29 luglio 2001. All'interno è conservata una raccolta di carte geografiche e storiche delle Marche e dispone di una catalogazione fotografica di tutto il materiale storico cartografico della regione.

La raccolta si è arricchita nel corso degli anni grazie a donazioni e nuovi acquisti, passando dalle 50 carte storiche iniziali alle trecento attuali. L'annessa chiesa di Santa Lucia è tra gli edifici in stile barocco piu' eleganti ed integri delle Marche. Nel suo interno sono conservate, tra l'altro, alcune tele che rappresentano Scene della vita di Santa Lucia, dipinte dal pittore veneto Pasqualino Rossi (1641-1718 ca.). Di straordinario effetto scenografico l'organo del 1675.

La terza sala ospita la fedele riproduzione di un globo terrestre del grande cartografo veneziano Vincenzo Coronelli (1650-1718) che aveva lavorato come cosmografo alla corte del Re Sole e fu anche Generale dei Frati Minori.

E' attivo il laboratorio didattico "Noi cartografi ricercatori".