באוסף חטיבות היסטוריות ועכשוויות שונות, שבין הבולטות בהן ניתן למנות אוסף של תצלומי ארץ־ישראל מן המאה ה־19; אוסף ייחודי של תשלילי האמן אפרים משה ליליין, שפעל בגרמניה ובארץ־ישראל בראשית המאה ה־20; אוסף מייצג ומקיף של תצלומים שצילם רוברט קאפה בארץ ערב הקמת המדינה; מבחר מייצג של תצלומי עיתונות של הצלמים האמריקאים וויג'י ויוג'ין סמית; תצלומי רחוב של הצלם הצרפתי המשפיע אנרי קרטייה־ברסון; תצלומים של לאון לוינשטיין האמריקאי; צילום סובייטי מהמחצית הראשונה של המאה ה־20; צילום עיתונות של צלמים ישראלים ואמריקאים משנות ה־30 עד שנות ה־70 למאה הקודמת; מבחר תצלומי פולרואיד של אנדי וורהול; וכן אוסף מרשים של עבודות של צלמים ישראלים עכשוויים. בשנים האחרונות נוספו לאוסף גם עבודות וידיאו ומיצבי צילום (ליאת אלבלינג, דרור דאום, אנה ים, דנה לוי, מאיה ז"ק, רונית פורת, אורית רף ועוד).

האוסף נבנה הודות לתורמים פרטיים, ביניהם משפחת שוקן, קורנל קאפה, מיכאל ש' סאקס, הווארד שיקלר ודיוויד לאפייל, כמו גם הודות לתרומות קרן התרבות אמריקה־ישראל. בשנים האחרונות הוא מועשר גם הודות לקבוצת הרכישה של אמנות ישראלית "בוחרים אמנות". בנוסף, הוא מתרחב גם בעזרת פרסים המוענקים לצלמים מטעם המוזיאון: פרס ע"ש לאון ומיכאלה קונסטנטינר לצלם ישראלי (שהוענק במשך למעלה מעשור, עד 2013), ופרס לורן ומיטשל פרסר לצלם ישראלי צעיר.