El Archivo General de la Fundación Casa de Medina Sidonia, formado por 6.318 legajos, reúne la documentación producida y recibida a lo largo de los siglos por los distintos titulares de las Casas que se han ido integrando en la de Medina Sidonia, y que gobernaron y administraron en el Antiguo Régimen señoríos y estados en los que fueron los dominios de la Monarquía Hispánica.

Tras la muerte en 1955 del XX duque de Medina Sidonia, don Joaquín Álvarez de Toledo y Caro, el Archivo entró en posesión de su hija, doña Luisa Isabel Álvarez de Toledo y Maura, quien a mediados de 1956 inicia el acondicionamiento del tercer piso del Palacio para convertirlo en el depósito, donde quedará definitivamente instalado en 1960. Año en que iniciará la descripción, organización y catalogación de los fondos, todos ellos de una riqueza y valor excepcional desde el punto de vista paleográfico, diplomático, filológico y archivístico.

En el año 2013 se comenzaron las gestiones para que este Archivo sea declarado Bien Patrimonio de la Humanidad, una iniciativa que ya se barajó en vida de la duquesa de Medina Sidonia pero que fraguó finalmente años más tarde con el apoyo de las instituciones públicas locales, provinciales y autonómicas y que se acabó de impulsar con la labor del Grupo Ciudadano de Sanlúcar. Aún a la espera de que se concrete esta petición y que sea aprobada por la Unesco, esta entidad se podría convertir en el primer archivo histórico español que alcance esta distinción por el conjunto de sus fondos documentales.

Entre sus documentos, el más antiguo data del año 1159, procedente del fondo de Villafranca. También hay legajos únicos en el mundo, como Los diarios de la Almadraba , otro sobre la expulsión de los moriscos o sobre la historia del Coto de Doñana.