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.

La Cartoteca con il nuovo ed attuale allestimento curato dal Professor Giorgio Mangani è stata inaugurata nell’ottobre del 2016. All'interno è conservata una raccolta di carte geografiche e storiche delle Marche e vi è una catalogazione fotografica di tutto il materiale storico cartografico della regione. Una delle sale 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. È attivo il laboratorio didattico "Noi cartografi ricercatori". La raccolta si è arricchita nel corso degli anni grazie a donazioni e nuovi acquisti, passando dalle cinquanta carte storiche iniziali alle trecento attuali.

Il complesso monumentale che ospita la Cartoteca Storica delle Marche include la chiesa di Santa Lucia, il più bell’esempio di barocco delle Marche. All’interno della Chiesa 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 1676.