Изначально галерея располагалась на первом этаже пятиэтажного жилого дома на улице Свердлова. С 1982 года музей находится в здании бывшего Сибревкома. Часть этого здания, построенная в 1926 году архитектором А. Д. Крячковым, является памятником архитектуры республиканского значения. В 1948 году к нему добавили пристройку. До того как здесь разместилась Картинная галерея, в здании находились областной и городской комитеты КПСС.

Помимо Новосибирского художественного музея, в здании расположены Музей восковых фигур, Новосибирский музей игрушки и Театр художественной куклы.

Основу коллекции музея составляют экспонаты, переданные в конце 1950-х и начале 1960-х годов Министерствами культуры РСФСР и СССР, Третьяковской галереей, Государственным Русским музеем, Павловским дворцом-музеем, Пермской картинной галереей, ГМИИ им. А. С. Пушкина, Государственным Эрмитажем и другими музеями России. Первые частные дарители музея, П. Е. Корнилов и В. М. Пивкин. В 1960-е и 1980-е годы музей активно формировал свои фонды.

В музее представлены иконы XVI и XX веков Московской школы, Строгановского направления, Поволжья, Украины, Урала и Сибири.

Особый интерес представляют народные иконы, собранные в экспедициях по Новосибирской области. Коллекция насчитывает более 500 единиц хранения и сформирована из икон, переданных Министерством культуры Российской Федерации и приобретённых у частных лиц.

Портретный жанр XVIII века представлен, в частности, аллегорической картиной Д. Г. Левицкого «Екатерина II, законодательница в храме богини Правосудия», авторским повторением известного полотна из Русского музея.

Среди работ другого выдающегося художника XVIII века В. Л. Боровиковского, «Портрет князя А. Б. Куракина», сокращённый вариант парадного портрета из Государственной Третьяковской галереи. Примером исторического жанра в Академии Художеств является картина В. Я. Родчева «Аполлон, повелевающий сатирам привязать Марсия к дереву». Среди произведений первой половины XIX века выделяются работы В. А. Тропинина «Портрет князя А. С. Долгорукова», «Портрет неизвестного», а также «Апостол Павел» К. Брюллова, созданный для не сохранившейся лютеранской церкви Святого Петра в Санкт-Петербурге. Салонное портретное искусство середины XIX века представлено полотнами С. К. Зарянко и И. К. Макарова. Морская тематика отражена в картине И. К. Айвазовского «Корабли на Феодосийском рейде», а итальянские мотивы, в пейзажах М. Н. Воробьёва и Л. Ф. Лагорио.

Академическое направление представлено работами А. И. Иванова, А. Г. Варнека и К. П. Брюллова, а также произведениями редких мастеров.

Раздел второй половины XIX века включает работы В. В. Пукирева, Н. Н. Ге, В. Г. Перова, а также пейзажи И. И. Ендогурова и Ю. Ю. Клевера.

Творчество передвижников представлено произведениями И. М. Прянишникова, В. М. Васнецова, И. И. Шишкина, А. К. Саврасова, Ф. А. Васильева, А. И. Куинджи, И. Е. Репина, В. И. Сурикова, В. Е. Маковского, И. И. Левитана, В. Д. Поленова и Г. Г. Мясоедова.

В музее также представлены работы мастеров «Союза русских художников», таких как С. Ю. Жуковский, Л. В. Туржанский, П. И. Петровичев, А. Е. Архипов и А. А. Рылов. Группировка «Бубновый валет» представлена картинами П. П. Кончаловского и Р. Р. Фалька. Объединение «Мир искусства» включает работы К. А. Коровина, А. Я. Головина, А. Н. Бенуа и Е. Е. Лансере. Коллекция произведений З. Е. Серебряковой и экспрессионизм в русском искусстве, представленный Б. Д. Григорьевым, также вызывают интерес.

Особый раздел составляют 60 работ Н. К. Рериха, созданных в последние годы его жизни и переданных музею в 1957 году. Особое внимание привлекают пейзажи из серии «Гималаи».

Советский период русской живописи представлен работами И. И. Машкова, К. С. Петрова-Водкина, К. Н. Редько, А. В. Шевченко, К. Ф. Юона, А. В. Куприна, П. Д. Корина и других художников.

Конец XX и начало XXI веков представлены работами художников московской и петербургской школ, а также мастеров из Сибири и Новосибирска, таких как Николай Рыбаков, Е. Дыбский, М. Кантор и другие.

Коллекция зарубежного искусства включает небольшое собрание живописи, коллекцию гравюр и отдельные экспонаты скульптуры и декоративно-прикладного искусства. Зарубежная живопись представлена работами европейских мастеров XVI и XIX веков, среди которых выделяются фламандские, голландские и французские художники.

Раздел графики включает в основном репродукционные гравюры французских, итальянских и английских художников XVII и XVIII веков, а также отдельные оригинальные листы Н.-Т. Шарле и П. Гаварни.

Современное зарубежное искусство представлено работами испанских, итальянских, японских и австралийских художников.

В Новосибирске каждые два года проходит Международная биеннале современной графики, которая обогащает культурную жизнь региона и демонстрирует современное развитие графических искусств.

Музей регулярно проводит экскурсии, лекции и конкурсы. НГХМ активно занимается научно-исследовательской работой, проводит конференции, семинары и круглые столы. Издательская деятельность включает публикации о коллекции музея, сборники статей и конференций, издания о творчестве художников, чьи работы хранятся в музее, а также книги и альбомы по истории создания и развития НГХМ.