Dentro del espacio dedicado al estilo gótico se expone en primer lugar una talla de San Juan Bautista de principios del siglo XIV procedente del monasterio de Santa María la Real de Vileña y, a continuación, una escultura que representa a Santa Ana, la Virgen y el Niño fechable también en el siglo XIV. Ambas obras son de escuela castellana.

A la desaparecida iglesia de la Natividad de Villasandino pertenecían los cuatro bultos funerarios de madera de nogal que presiden la sala. Se encuentran bastante deteriorados y han perdido casi toda su policromía. Desconocemos a quién pertenecen. Dos de ellos parecen formar pareja, un caballero con larga espada sobre el cuerpo y una dama, mientras que los otros dos representan a un caballero con su halcón y a un clérigo. La estatua de la dama lleva a sus pies un escudo nobiliario ajedrezado en azul y negro. Por su estilo, indumentaria y semejanza con piezas de los monasterios de Palacios de Benaver y Vileña, se puede fechar estas obras hacia finales del siglo XIII o comienzos del XIV.

Procedente del desaparecido convento de San Pablo de la capital burgalesa, un importante cenobio dominico que se encontraba donde en la actualidad se levanta el Museo de la Evolución Humana, podemos apreciar un frontal de altar de piedra decorado con escenas de la vida de Cristo dispuestas dentro de arquerías. Se trata de una obra de comienzos del siglo XIV que aún conserva restos de policromía.

En la siguiente sala se muestran dos esculturas góticas de madera policromada que representan a la Virgen con el Niño y a Cristo crucificado. Son de escuela castellana del siglo XIV.

Por último, en la entreplanta se exhiben varios tesorillos medievales hallados en distintos puntos de la provincia. Algunos de ellos, además de numerosas monedas de vellón y de plata correspondientes a distintos reinados y cecas, contienen joyas y vajilla de plata. Destacan los de Briviesca, que se encontraron en la zona de la antigua judería de la ciudad. En ellos merecen especial atención los platos de plata de carácter ritual decorados con motivos geométricos y vegetales nielados en oro. Uno de los platos conserva el punzón de platero más antiguo conocido de la orfebrería burgalesa. Completan la exposición de piezas góticas tres cruces procesionales de cobre con esmaltes de los siglos XIII y XIV.