La collezione del Museo Cantonale comprende principalmente opere del XIX e XX secolo, con poche ma significative incursioni nei secoli precedenti, che documentano alcune delle figure maggiori di artisti ticinesi attivi sul territorio o in area italiana, come Giovanni Battista Discepoli, Pier Francesco Mola, Giuseppe Antonio Petrini.

Non essendo il frutto di un nucleo precostituito, la collezione permanente è stata concepita e impostata secondo i principi museologici che definiscono l'identità e il campo d'attività del Museo, ovvero l'attenzione all'interdisciplinarità fra le arti, il riferimento al territorio nella sua dimensione di zona di confine e di scambio tra Nord e Sud dell'Europa, l'innesto della realtà artistica locale nel contesto più ampio del panorama artistico nazionale e internazionale.

La collezione non comprende solo opere di artisti ticinesi o di artisti svizzeri e stranieri che hanno lavorato o soggiornato nella Svizzera italiana, ma anche di artisti italiani e di altri paesi che hanno avuto un ruolo di primo piano nell’ambito della storia dell’arte moderna e contemporanea, come, solo per citare alcuni nomi, Degas, Renoir, Pissarro, Orozco, Dijkstra, Struth.

Nella creazione della collezione permanente del Museo, al gruppo di opere selezionate nell'ambito del patrimonio artistico statale si sono aggiunti, in seguito, deposti di altri musei svizzeri, della Confederazione, della Fondazione Gottfried Keller, oltre a numerosi prestiti, lasciti e donazioni di privati. Negli ultimi anni il Museo ha beneficiato inoltre di un’importante donazione del conte Panza di Biumo, che permette all’istituto di collocarsi tra i musei svizzeri più ricchi di opere dell’area Post-minimal e Concettuale. Un importante contributo alla crescita della collezione è offerto inoltre dall'Associazione Sostenitori del Museo Cantonale d'Arte (Promuseo), che regolarmente acquista delle opere che vengono poi depositate presso il Museo.