Obejmuje dzieła z zakresu malarstwa, rzeźby i obiektów przestrzennych, rysunku, grafiki oraz fotografii i technik wizualnych.

Podstawową wartością zbioru, który w większości tworzą dzieła z obszaru sztuki eksperymentującej, jest jego niezmienne otwarcie na współczesność – pochodna tradycji stojącej u jego źródeł. Z tej samej tradycji czerpie idea ignorowania barier dzielących różne dziedziny sztuki, idea decydująca o przyjęciu formuły integracji zbiorów w jeden „żywy” organizm sztuki.

Sercem zbiorów – wyznaczającym ich historyczny oraz estetyczny początek – jest Międzynarodowa Kolekcja Sztuki Nowoczesnej grupy „a.r.”. Stanowi ona fenomen na skalę światową, została bowiem zainicjowana przez samych artystów i ukształtowana w wyniku solidarnego działania ponad granicami i na przekór wszelkim podziałom.

Po raz pierwszy trzon Kolekcji udostępniono publiczności w lutym 1931 r. w pierwotnej siedzibie muzeum w ratuszu przy Placu Wolności 1, w tzw. Sali sztuki nowoczesnej.
Kolekcja grupy „a.r.” gromadzona była w latach 1929–32 i uzupełniana do 1938 r. w kraju i za granicą. Inicjatorem i głównym animatorem akcji pozyskiwania darów od artystów był malarz i teoretyk sztuki Władysław Strzemiński, aktywnie wspierany przez rzeźbiarkę Katarzynę Kobro, malarza Henryka Stażewskiego oraz poetów Jana Brzękowskiego i Juliana Przybosia. Zebrana Kolekcja w swym wymiarze ideowym stanowi obraz preferencji artystycznych Strzemińskiego, choć jej kształt ostateczny jest wypadkową działań wielu osób, przede wszystkim Stażewskiego i Brzękowskiego oraz Hansa Arpa i Michela Seuphora. Stanowi przegląd awangardowych nurtów i tendencji końca lat 20. minionego wieku, z wyjątkową, jak na owe czasy, znakomitą prezentacją abstrakcjonistów takich jak Hans Arp i Sophie Taeuber-Arp, Theo van Doesburg, Jean Gorin, Jean Helion, Vilmos Huszar, Henryk Stażewski czy Georges Vantongerloo. Znalazły się w niej też dzieła artystów z kręgu kubizmu (np. Fernanda Légera, Louisa Marcoussisa), futuryzmu (Enrica Prampoliniego), dadaizmu (Kurta Schwittersa), surrealizmu (Maxa Ernsta, Kurta Seligmanna), formizmu (np. Leona Chwistka, Tytusa Czyżewskiego), „czystej formy” (Stanisława Ignacego Witkiewicza), konstruktywizmu (Aleksandra Rafałowskiego, Andrzeja Pronaszki) czy unizmu (Władysława Strzemińskiego). Do 1939 r. Kolekcja grupy „a.r.” liczyła minimum 112 dzieł, wśród których przeważały obrazy, ale nie zabrakło w niej również obiektów rzeźbiarskich (dzieł Aleksandra Caldera, Katarzyny Kobro) i przykładów nowego medium tych lat – fotomontażu (prace Mieczysława Szczuki).

Powierzenie w 1935 r. kierownictwa muzeum doktorowi Marianowi Minichowi (prowadzącemu placówkę do 1965 r. z wyłączeniem czasu wojny) zaowocowało w pierwszym okresie poszerzeniem zbiorów o dzieła dopełniające obrazu polskiej sztuki nowoczesnej, przede wszystkim Formistów Polskich, lwowskiej grupy nadrealistów Artes oraz reprezentatywne prace Jankiela Adlera i Karola Hillera. Tuż po wojnie ważnym przedsięwzięciem było pozyskanie obrazów Aleksieja Jawleńskiego oraz przejęcie w bezterminowy depozyt dzieła Emila Noldego.

Nieocenionym wzbogaceniem kolekcji stały się donacje Strzemińskiego i Kobro, którzy w 1945 roku złożyli w muzeum swój najważniejszy, ocalony dorobek artystyczny. Z kolei podarowanie w 1946 roku zespołu klisz i odbitek Kompozycji heliograficznych Hillera zainicjowało systematyczne gromadzenie w okresie późniejszym zbiorów z dziedziny nowych mediów – fotografii i technik wizualnych.

Aktem integrującym zbiory sztuki nowoczesnej z formułą ekspozycji muzealnej stała się realizacja Sali Neoplastycznej (projektu Strzemińskiego), przygotowana w 1948 r. na otwarcie nowej siedziby muzeum w dawnym pałacu Poznańskiego. Idea prezentacji w Sali obrazów z kręgu neoplastycyzmu i abstrakcji geometrycznej, pochodzących z zachowanej w większości, mimo strat wojennych, Kolekcji grupy „a.r.” oraz Kompozycji przestrzennych Kobro – okazała się wartością nieprzemijającą.

Kontynuacją inicjatywy grupy „a.r.” miała być akcja gromadzenia nowej kolekcji powojennej międzynarodowej sztuki abstrakcyjnej, podjęta w okresie odwilży przez Mariana Minicha wespół z malarzem Jerzym Kujawskim. Nie udało się wprawdzie powtórzyć sukcesu pierwowzoru, lecz w rezultacie muzeum pozyskało dary od artystów takich jak Serge Charchoune (reprezentowany w Kolekcji „a.r”), Jerzy Kujawski, Roberto Matta, Richard Mortensen czy Victor Vasarely.

Śmiały i bezprecedensowy rozwój międzynarodowej kolekcji sztuki nowoczesnej i współczesnej muzeum zawdzięcza swemu drugiemu dyrektorowi – Ryszardowi Stanisławskiemu, który kierował instytucją w latach 1966–91. W swej praktyce muzealnej kierował się koncepcją „muzeum jako instrumentu krytycznego”, preferując koncentrację kolekcji na zjawiskach postrzeganych jako otwarte, twórcze i autentyczne. Dzięki takiej postawie udało mu się pozyskać pierwsze płótno (oraz kolejne) z serii obrazów liczonych Romana Opałki, kolekcję wczesnych prac Krzysztofa Wodiczki, Mirosława Bałki oraz zespół prac artystów czeskich (m.in. Jiříego Kolářa), nabytych u schyłku Praskiej Wiosny.

Przez cały ten okres kontynuowano pozyskiwanie do zbiorów dzieł klasyków awangardy I poł. minionego stulecia. Niespotykanym w warunkach polskich wydarzeniem było nabycie w paryskiej galerii prac André Massona i kolejnego obrazu Légera. Stałe ekspozycje malarstwa i rzeźby wzmacniały sukcesywnie zdobywane obrazy (np. Lyonela Feiningera), prace na papierze (Marca Chagalla, Paula Klee) oraz liczne dzieła eksperymentatorów (w dziedzinie nowych technik, fotomontażu i fotografii), takich jak Henryk Berlewi, Janusz Maria Brzeski, Florence Henri, Aleksander Krzywobłocki, Stefan Themerson, Kazimierz Podsadecki, Wacław Szpakowski czy Stanisław Ignacy Witkiewicz. W budowanej kolekcji fotografii nie rezygnowano przy tym z dokumentowania jej początków (z XIX wieku) oraz pierwszych przejawów fotografii artystycznej (przykładem prace Jana Bułhaka) i tzw. piktorialnej.

Rozwijano zespoły dzieł artystów – indywidualności w sztuce kolejnych okresów minionego wieku. Szczególną uwagę skierowano na nestora awangardy – współtwórcę Kolekcji grupy „a.r.” Henryka Stażewskiego, którego dzieło wpisuje się w szeroko reprezentowany w zbiorach (prace Josepha Alberta, Maxa Billa, Zbigniewa Gostomskiego, Ryszarda Winiarskiego) nurt abstrakcji geometrycznej. Pozyskano kilkadziesiąt prac wystawionych w 1948 r. na I Wystawie Sztuki Nowoczesnej w Krakowie, i zgromadzono większe zespoły dzieł jej uczestników, np. Tadeusza Brzozowskiego, Zbigniewa Dłubaka, Tadeusza Kantora czy Jonasza Sterna. Gromadzono prace artystów z kręgu pop-artu (Władysława Hasiora, Aliny Szapocznikow), nurtów neoawangardowych (Wojciecha Fangora, Edwarda Krasińskiego), konceptualizmu (Zdzisława Jurkiewicza) i nowych mediów (Józefa Robakowskiego).

W tym okresie otrzymano w darze całe kolekcje o wyraźnym obliczu ideowym i stylowym. Mateusz Grabowski, właściciel awangardowej galerii w Londynie, przekazał dzieła reprezentujące brytyjski pop-art (m.in. Dereka Boshiera, Bridget Riley, Pauline Boty). Artyści amerykańscy złożyli swe prace (np. Sam Francis, Lawrence Weiner, Barbara Kasten, Chris Burden) w drodze wymiany z artystami polskimi. Zespół prac (m.in. Petera Downsbrough, Dana Grahama, Richarda Nonasa) przekazanych przez „Solidarność” z pierwszej Konstrukcji w procesie wzbogacił muzealną reprezentację minimal art. W symbolicznym geście solidarności Joseph Beuys podarował Polentransport 1981 – kilkaset prac ze swojego twórczego archiwum.

W wielogłosie współczesnych postaw rejestrujemy zarówno te skoncentrowane na problematyce formalnej (dotyczy to m.in. Tomasza Ciecierskiego i Arkadiusza Sylwestrowicza), jak i te w różnym stopniu „zaangażowane” (reprezentowane przez Martę Deskur i Zbigniewa Liberę), kontynuujące nurt obecny już wcześniej w kolekcji (np. dzięki pracom Jerzego Beresia, Grzegorza Kowalskiego, Ewy Partum, Natalii LL). Dla wielu artystów inspirującym wyzwaniem jest rozwój technik wizualnych. Ten rodzaj poszukiwań zapowiadają wczesne prace wideo (zapisy akcji Günthera Ueckera i Douglasa Davisa), a poszerzają zbiory filmów (np. Łodzi Kaliskiej i Józefa Robakowskiego).