האוסף כולל ייצוג נכבד לאמנות שנות ה־20 של המאה ה־20, שנות המעבר המרכז האמנותי מירושלים לתל אביב, בסמוך לפתיחת המוזיאון. בולטים בו ציורים של ראובן רובין, נחום גוטמן, אריה לובין, ציונה תג'ר, משה קסטל, פנחס ליטבינובסקי, ישראל פלדי ואחרים. השפעת האמנים היהודים של אסכולת פריז האקספרסיוניסטית על האמנות הישראלית ניכרת בעבודות משנות ה־30, ובאלה משנות ה־40 מיוצגת גם השפעת האידיאולוגיה הכנענית. קבוצת "אופקים חדשים", שנוסדה ב־1948 והובילה את אמנות ישראל בשנות ה־50 אל ההפשטה הנופית, מיוצגת באוסף על ידי יוסף זריצקי, יחזקאל שטרייכמן, יחיאל קריזה, יצחק דנציגר, יחיאל שמי, אבשלום עוקשי ואחרים. לצדם יש ייצוג גם לזרמים שפעלו במקביל להם, הזוכים להכרה גוברת והולכת בשנים האחרונות, כגון הריאליזם הסוציאליסטי, ולעיסוקם בנושאים כשואת יהדות אירופה או אירועי תש"ח והנכבה. אלה מיוצגים, בין השאר, בציוריהם הפיגורטיביים של אהרון אבני, משה תמיר, רות שלוס, אליהו גת, נפתלי בזם וגרשון קניספל, אך גם בעבודות של אמני "אופקים חדשים", כמו מרסל ינקו, יוחנן סימון ואהרון כהנא. מרדכי ארדון מייצג את המופשט הסימבולי והמיסטי, על תכניו היהודיים־הקבליים.

בין אמני שנות ה־60 בולטים בעיקר גברים: אריה ארוך, משה קופפרמן, אורי ריזמן, מיכאל גרוס, רפי לביא, משה גרשוני, יגאל תומרקין, מנשה קדישמן ואחרים. מיעוט האמניות המובילות, דוגמת אביבה אורי ולאה ניקל, בולט לעין — וקורא למפנה. ואכן, החל בשנות ה־70 משתנה מפת האמנות, והעיסוק הפוליטי במגוון נושאים, בהם פוליטיקת זהויות, כמו גם עיסוק תיאורטי במדיום האמנותי, מקבלים ייצוג בולט. מתקופה זו ואילך, תופסות אמניות – בהן מיכל נאמן, דגנית ברסט, תמר גטר, נורית דוד, פמלה לוי, ג'ניפר בר־לב, יהודית לוין, מיכל רובנר ויהודית סספורטס — מקום מרכזי בשדה המקומי, לצד אמנים כנחום טבת, צבי גולדשטיין, יהושע נוישטיין, פנחס כהן גן, דוד ריב, גבריאל קלזמר, עאסם אבו־שקרה, לארי אברמסון, ציבי גבע ואחרים. על אף היטשטשות התיחום המדיומלי בשנים אלה, ציור ופיסול ממשיכים להיות מדיומים מרכזים גם בשנות האלפיים, והם מקבלים ייצוג באוסף בעבודותיהם של אבנר בן־גל, חן שיש, גיל מרקו שני, זמיר שץ, מיכאל חלאק, עלמה יצחקי, אלי פטל, ראובן ישראל, יעל אפרתי ואחרים. לצידם, תופסים הווידיאו והמיצב מקום מרכזי באוסף, בעבודותיהם של אמנים כגון גיא בן־נר, תמיר צדוק, רותי סלע, אוהד מרומי, מיכל הלפמן, סיגלית לנדאו, יעל ברתנא, מיקה רוטנברג, נירה פרג, יאן טיכי, מאיה ז"ק, גיל יפמן, בן הגרי, תמר הרפז, נבט יצחק ואחרים.

אוסף האמנות הישראלית משקף, בזמן אמת, את ההתרחשויות בשדה האמנות המקומי. בתוך כך, הוא משרטט תמונה של רוח התקופה לאורך כמאה שנים. בניית האוסף לאורך השנים משקפת ומזינה את החתירה המתמדת של המוזיאון להצגת אמנות ישראלית ולהפקת קטלוגים מחקריים ותיעודיים על אודותיה.