La sezione dedicata a Bartolini si trova al terzo piano del Palazzo. Tra le opere esposte il modello in gesso della Fiducia in Dio (1834) il suo capolavoro. L’opera venne commissionata da Rosa Trivulzio Poldi Pezzoli in memoria del marito defunto e rappresenta il confidente abbandono nella fede coltivato dalla nobildonna dopo il lutto. Bartolini dette forma a questi sentimenti attraverso una giovane figura nuda, seduta con le mani giunte e quietamente appoggiate, che esprime nel volto un'intima e intensa devozione. Nel realizzarla, fu probabilmente ispirato dalla naturalezza della posa assunta in un momento di riposo dalla modella di un’altra sua opera mirabile, la Ninfa Arnina (1825) il cui modello è esposto a Palazzo Pretorio. Tra le sculture più belle del del Museo, anche il ritratto dell’aristocratica russa Marina Gurieva (1821), che Bartolini dedicò all’amico Ingres.

In mostra a Palazzo Pretorio anche una scultura in marmo recentemente attribuita a Bartolini e concessa in prestito da una famiglia pratese: è una figura femminile, che tiene in mano gli strumenti antichi della filatura. La Filatrice è un'opera di grande bellezza, probabilmente degli ultimi anni dell'artista, che può rappresentare un tributo alla vocazione tessile della città.
Di particolare grazia il modello in gesso de Il sonno dell’Innocenza (1820) realizzato in ricordo della figlia di un nobile russo, morta in tenera età. Appartiene al Museo il primo modello in marmo del Monumento a Nicola Demidoff (1837) la cui storia fu così travagliata da divenire l’impresa più impegnativa nella carriera dello scultore. La vena naturalistica dello scultore si esprime con forza nei numerosi ritratti, in gesso o in marmo, della collezione del Museo. Una speciale attenzione meritano i busti delle personalità storiche, a cominciare dai Bonaparte, a cui Bartolini era molto legato. Esposti a Palazzo Pretorio sono anche gli splendidi ritratti di Teresa Gamba Guiccioli, compagna di Lord Byron (1822), di Cassandra Luci principessa Poniatowski (1826) e del compositore Gioacchino Rossini (1830 circa) di cui Bartolini era grande amico.