En 1900 con el cardenal Sancha presidiendo la silla arzobispal, y para mayor seguridad y custodia, se habilitó el cuarto del Tesoro debajo de la torre. Aquí están dentro de las vitrinas las principales obras de orfebrería de la Catedral. Sobre ellas, las pinturas para los cartones de los tapices que después se elaborarían en la Fábrica de Santa Bárbara en 1750. Pero, lo que más destaca en el Tesoro es la grandiosa Custodia Procesional, encargada por el Cardenal Cisneros a Enrique de Arfe en 1515, que alberga el Ostensorio o custodia pequeña de su centro. Esta fue adquirida por el Cardenal Cisneros del legado de la Reina Isabel la Católica, y según se cree fue realizada con el primer oro que llegó de América. Enrique de Arfe realiza esta custodia siguiendo el origen de las torres de las catedrales gótica y la custodia central del retablo mayor. Mide 2,50 metros de alto, dividida en tres cuerpos. Está compuesta por 5.600 piezas unidas por 12.500 tornillos, también contiene 250 estatuillas de esmaltes y plata dorada. Está coronada por una Cruz de diamantes realizada en 1600 y una peana del siglo XVIII de plata donada por el Cardenal-infante Luis Antonio de Borbón.
Entre otras muchas obras de arte de este Tesoro podemos contemplar la Biblia de San Luis de taller real francés, que fue regalada en 1258 a Alfonso X y otras obras importantes de orfebrería que se pueden admirar en sus vitrinas.