Le Palais épiscopal était la résidence principale de l'évêque de Cornouaille (devenu depuis la Révolution évêque de Quimper et de Léon). Celui-ci était aussi seigneur de la ville close de Quimper. Les évêques successifs se sont attachés à agrandir, restaurer ou reconstruire le Palais, jusqu'au milieu du siècle dernier.
Accolé à la cathédrale Saint-Corentin, l'édifice comprend, selon un plan en équerre, deux ailes encadrant une tour d'escalier au décor Renaissance, élevée en 1507. L'aile longeant la rue du Roi Gradlon, par laquelle s'effectue l'entrée dans la cour du Musée, fut achevée en 1647. Celle bordant l'Odet, bâtie en 1776, fut remaniée en 1866. À la même époque on fit édifier, pour clore la cour, les éléments d'un cloître dans le goût néo-gothique.
L'accueil du musée départemental breton est installé dans l'ancienne cuisine du Palais. Elle constitue une partie du rez-de-chaussée de l'aile construite en 1645 par l'architecte quimpérois Bertrand Moussin. Ce bâtiment fut édifié dans un style classique très sobre dont on retrouve d'autres exemples, plus modestes, dans la Cornouaille environnante (Locronan, Pont-l'Abbé...). Cette aile occupe l'emplacement de l'ancien Palais, construit au XVe siècle pour l'évêque Bertrand de Rosmadec et détruit en 1595 par un incendie, lors des guerres de la Ligue. Elle fut à son tour endommagée par un incendie en 1939, qui détruisit le décor lambrissé et les peintures des étages. La cuisine en revanche a conservé son état d'origine. Les structures culinaires sont regroupées dans la partie nord de la pièce : grande cheminée, four et chauffe-plats. Le puits permettait aux domestiques d'extraire de l'eau directement dans la cuisine. Dans le mur situé en face de la cheminée, les deux petites portes hautes permettaient autrefois d'accéder, par des escaliers, à l'office haute, dépendance de la cuisine.
Au XIXe siècle, cette grande pièce était divisée en de plus petits espaces dans lesquels se trouvaient notamment les chambres des domestiques.
À l'étage du même bâtiment se trouvaient, aux XVIIe et XVIIIe siècles, les appartements de l'Évêque, avant que Monseigneur Conen de Saint-Luc ne les transfère dans les nouvelles salles lambrissées de l'aile sud, aménagées à la fin du XVIIIe siècle. Les murs étaient couverts de lambris de hauteur à trois registres, dans les panneaux desquels s'inscrivaient les portraits des évêques de Cornouaille, peints par le Vannetais Vincent Lhermitais en 1745. À la Révolution, le Palais épiscopal ayant été vendu comme bien national à un aubergiste, cette pièce fut transformée en salle de bal : les portraits des évêques furent alors recouverts par des toiles, peintes par François Valentin, représentant Apollon et les muses. Un incendie a détruit ce décor en 1939.
Cette pièce est celle qui a connu le plus de transformations au cours des deux derniers siècles. Elle possède un plafond " à la française ", composé de poutres sculptées et de solives moulurées, remontant à la construction du bâtiment au début du XVIe siècle. À cette époque semblent également remonter des graffitis au charbon de bois et un fragment de devise (aujourd'hui invisibles).
En 1989 fut mis au jour un important ensemble de décor peint à la détrempe sur enduit, que cachaient des lambris du siècle dernier. Remontant sans doute aux environs de 1700, ce décor en trompe-l'œil figure des lambris et divise les murs de la pièce en panneaux et registres séparés par des pilastres ioniques. Des éléments floraux forment des guirlandes et des bouquets. On ignore la fonction de cette pièce lorsque y fut exécuté ce décor, exceptionnel en Bretagne. Cette ornementation non religieuse fut semble-t-il recouverte dès le XVIIIe siècle lorsqu'y fut transférée la chapelle du Palais.
Cette tour d'escalier est la partie la plus ancienne du bâtiment. Elle fut élevée en 1507 pour Claude de Rohan, évêque atteint de folie mais issu d'une famille puissante et appartenant à l'entourage du duc de Bretagne.
Extérieurement, la tour impressionne par sa verticalité et son élancement, effet renforcé par le décor flamboyant des fenêtres et de la cheminée. Elle est divisée en deux parties par de faux mâchicoulis portant un décor sculpté de mascarons, d'animaux et de feuillages. Les fenêtres sont ornées de galbes en accolades reposant sur des culots sculptés représentant, pour la plupart, les armes de l'évêque portées par un ange.
Les deux entrées du rez-de-chaussée desservaient deux vestibules : à droite, celui destiné au service, au sol couvert de simples dalles ; à gauche, l'entrée officielle, au carrelage soigné et pourvu d'un banc destiné aux visiteurs attendant d'être reçus par l'évêque.
La sobriété de l'espace intérieur de l'escalier contraste avec le faste extérieur de la tour. Seuls les paliers sont mis en valeur par des arcatures gothiques. L'escalier hélicoïdal s'achève par un somptueux lambris sculpté, en " palmier ".
L'un des éléments décoratifs les plus importants du Palais est le couvrement en chêne de l'escalier à vis, remontant à l'achèvement de l'édifice en 1507. Cette charpente dite " palmier ", était peut-être peinte à l'origine. C'est un plafond circulaire dont les solives, rayonnantes, divisent la sablière en vingt-quatre parties. L'ensemble est soutenu, au centre, par une colonne torsadée ornée du symbole héraldique des Rohan (macles : losanges évidés) et de l'hermine de Bretagne. Le garde-corps en bois porte un décor en " plis de serviette ".
Ce palier permet d'accéder, grâce à un petit escalier à vis, à deux pièces hautes qui servaient, aux XVIIe et XVIIIe siècles, de salles des archives. ne peut les visiter en raison des contraintes de sécurité.
Ces appartements furent aménagés à la fin du XVIIIe siècle. C'est en 1775-1776 que Monseigneur Conen de Saint-Luc ordonna la reconstruction de l'aile sud du Palais, qui datait du XVIe siècle. Les travaux, conduits par Eugène Bigot (père de l'architecte Joseph Bigot, restaurateur de l'édifice au siècle suivant, auteur des flèches de la cathédrale Saint-Corentin), furent exécutés dans un style très sobre, peu fréquent en Finistère mais alors en vogue dans le reste de la France. La façade sud, au-dessus de l'Odet, repose sur des arcades percées dans les remparts de la ville. Elle illustre parfaitement le classicisme de l'édifice, au décor presque absent et dont l'élévation est seulement rythmée par les ouvertures. Une plus grande ampleur a été donnée au premier étage, mis en valeur par un élégant garde-corps en fer forgé.
À l'intérieur, le premier et principal étage est aussi le plus richement décoré. Il s'organise en une suite de pièces lambrissées distribuées en enfilade. Chaque pièce présente un lambris à deux niveaux et un parquet très soigné, de type " Versailles ". Cet ensemble constituait, dès 1776, la suite principale du Palais et devait accueillir les appartements de l'évêque.