Kolekcja stanowi reprezentatywny przegląd malarstwa polskiego od epoki sarmackiej (portret sarmacki XVII–XVIII w., m.in. Józefa Faworskiego) i stanisławowskiej (dzieła Marcella Bacciarellego, Jana Piotra Norblina), poprzez główne nurty sztuki XIX w. (m.in. obrazy Wojciecha Gersona, Witolda Pruszkowskiego, Józefa Chełmońskiego, Aleksandra Gierymskiego, Leona Wyczółkowskiego), po epokę Młodej Polski (m.in. obrazy Olgi Boznańskiej, Stanisława Wyspiańskiego, Józefa Mehoffera, Jacka Malczewskiego, a także rzeźba Ksawerego Dunikowskiego). Kolekcja zawiera także dzieła twórców XIX – początku XX w. związanych z kształtowaniem się środowiska artystycznego wielkoprzemysłowej Łodzi, w tym artystów żydowskich (np. obrazy Leona i Samuela Hirszenbergów, Maurycego Trębacza, Leopolda Pilichowskiego, rzeźby Henryka Glicensteina); w tej grupie cennym nabytkiem jest obraz Witolda Wołczaskiego, mało dziś znanego malarza, który prowadził jedną z pierwszych w Łodzi szkół artystycznych.
Zalążek kolekcji powstał w latach 1930–39. Jego podstawą stał się zbiór rodzinny Kazimierza Bartoszewicza, krakowskiego historyka i publicysty, ofiarowany miastu w latach 1928–30. W darze znalazły się m.in. dzieła Jana Piotra Norblina, Artura Grottgera, Aleksandra Kotsisa, Witolda Pruszkowskiego, Józefa Chełmońskiego, Jacka Malczewskiego i Vlastimila Hofmana. Trzon pierwotnej kolekcji dopełniała niewielka ilość dzieł dawnego Muzeum Miejskiego oraz Miejskiej Galerii Sztuki – ze zbiorów Gminy Miasta Łodzi; z zakupów Gminy trafiły do kolekcji m.in. dzieła Michała Elwiro Andriollego, Kazimierza Sichulskiego, Aleksandra Lessera, Juliusza Kossaka, Maurycego Trębacza i Natana Spiegla.
Cennym uzupełnieniem przedwojennego zbioru malarstwa polskiego był dar łódzkiego przemysłowca Karola Eiserta, dzięki któremu pozyskano obrazy Alchemik Sędziwój i król Zygmunt III Jana Matejki, Intermezzo Jacka Malczewskiego oraz Ranny kirasjer i dziewczyna Wojciecha Kossaka. W grupie ofiarodawców znaleźli się również inni przemysłowcy łódzcy, np. Stanisław Silberstein, Jakub Brat-Kon, czy spadkobiercy Henryka Grohmana. Kolekcję nowopowstałego muzeum powiększały także zakupy dzieł. Z cenniejszych obrazów pozyskano tą drogą w okresie przedwojennym dwa portrety pędzla Olgi Boznańskiej, słynny Portret Matki Henryka Rodakowskiego oraz Autoportret Piotra Michałowskiego.
W okresie powojennym kolekcja była stale uzupełniana poprzez zakupy i dary, a także liczne przekazy. Dziś zawiera ponad 700 prac, w tym blisko 450 obrazów olejnych. Do większych zespołów dzieł należą grafiki Jana Piotra Norblina (84 prace) oraz obrazy Mariana Wawrzenieckiego (28 prac olejnych i gwaszy). Do ostatnich nabytków należy, uchodzący za zaginiony obraz Adolfa Hersteina Pejzaż z wieśniaczkami / Modlitwa, 1900 – zakupiony w 2007 roku.
Kolekcja europejskiej sztuki dawnej obejmuje dzieła z zakresu malarstwa, rysunku, grafiki i rzeźby powstałe między XVI a początkiem XX wieku. Malarstwo gotyckie jest w niej reprezentowane poprzez sześć kwater poliptyku Życie Marii Mistrza Poliptyku z Szańca i cztery kwatery ołtarzowe (skrzydła) przedstawiające sceny pasyjne, datowane na ok. 1500 r.
Wśród cennych obiektów dokumentujących początki malarstwa nowożytnego należy wymienić z kolei Portret doży Michele Steno, wiązanego ze szkołą wenecką 1. poł. XV w., oraz Portret elektora saskiego Fryderyka III Mądrego, pochodzący z kręgu Lucasa Cranacha starszego. Siedemnastowieczne malarstwo krajów północnych ilustrują dzieła Daniela de Bliecka, Jeana Battisty de Fontenay, Gillisa Claesza d'Hondecoetera, Reiniera de la Haye, Nicolaesa Maesa, Claesa Corneliszoona Moeyaerta, Dircka Santvoorta, Fransa Snydersa, praca Alidy Wolfsen, a także pochodzący z Flandrii antyczny biust w otoku kwiatów.
Pośród obrazów mistrzów włoskich doby baroku na uwagę zasługują: Martwa natura z rybami Giuseppe Recco, Alegoria zbiorów jesiennych wiązana z Giovannim Battistą Ruoppolo i Mężczyzna zadumany nad książką przypisywany Giuseppe Nogariemu. W dziale jest również kompozycja Philippa Petera Roosa, zwanego Rosa da Tivoli, przedstawiająca idylliczną scenę pasterską. Barok środkowoeuropejski jest obecny poprzez dzieła wybitnego twórcy działającego w XVIII w. w Czechach – Norberta Grunda. Malarstwo klasycyzmu reprezentuje Safona Marguerite Virginie Ancelot. Interesujący przykład malarstwa francuskiego 2. poł. XIX w. stanowią portrety Augustina Théodula Ribota.
Muzeum posiada również interesujący zespół malarstwa rosyjskiego 2. poł. XIX i początku XX w. z obrazami Ilji J. Riepina, Konstantina Korowina i Iwana K. Ajwazowskiego. Różnorodność tendencji artystycznych w sztuce europejskiej końca XIX i początku XX w. można obserwować na przykładzie dzieł takich artystów jak Paul Signac, Jacques Emile Blanche, Otto Pippel, Oswald Achenbach, Fernand L'Olivier Allard i Fritz von Uhde.
Spośród dzieł graficznych na szczególną uwagę zasługują prace Portret Ludwika XVI w stroju koronacyjnym Charles’a Clémenta Bervica oraz Śpiący zbór Williama Hogartha. Niewielka liczba eksponatów ilustruje sztukę Dalekiego Wschodu.
Kolekcję sztuki dawnej można oglądać w Muzeum Pałac Herbsta, które jest oddziałem Muzeum Sztuki w Łodzi.
