Installé depuis 1958 dans l’ancien couvent des Chartreux, le musée de Douai est composé de plusieurs bâtiments.
L’entrée par la grille place le visiteur en face de la partie la plus ancienne de la bâtisse : un corps de bâtiments perpendiculaires avec une tour ronde qui se prolonge un peu au-delà d’une tour carrée. Il s’agit d’un ancien hôtel particulier, construit en deux étapes distantes de cinquante ans par Jacques d’Anneux, seigneur d’Abencourt en 1559 et par Jean de Montmorency, qui le fit prolonger en 1608.
En 1620, Jean de Montmorency vend son hôtel à des moines, les Prémontrés de Furnes, qui le revendent en 1662 aux Chartreux.
Afin d’y établir leur couvent, ces derniers construisent, suivant les plans imposés par la règle de Saint Bruno, un petit cloître, un réfectoire, une salle capitulaire, un grand cloître et la chapelle, de style classique, terminée en 1722.
Ces nouvelles constructions sont reliées aux parties anciennes par le logis dit « des hôtes » (1690), dont les ancrages à fleur de lys rappellent que la ville était française lors de l’édification.
Les Chartreux quittent le bâtiment en 1791, après la suppression des congrégations régulières.
Le lieu devient une cartoucherie, puis un dépôt de munitions et de matériel de guerre jusqu’en 1940. Les bâtiments, classés Monument Historique en 1930, font les frais du bombardement du 11 août 1944, qui endommage aussi irrémédiablement l’ancien musée situé à quelques centaines de mètres.
Proche de la ruine, le couvent des Chartreux est racheté par la ville de Douai en 1951, pour y installer les collections de l’ancien musée détruit en août 1944. Le musée de la Chartreuse ouvre partiellement le 3 mai 1958. Par la suite, le réfectoire des Chartreux est restauré (1966, 2008), ainsi que la salle capitulaire (devenue une salle d’exposition temporaire), puis la chapelle (2001).
En 2015 sont inaugurés les jardins monastiques de la Chartreuse, bordant l’ancienne chapelle. L’herbularius ou jardin des simples, le cloître de verdure, le jardinet du Chartreux et le jardin du Prieur permettent désormais au public de découvrir le lien intime que les moines Chartreux entretenaient avec la nature.