«Первым» экспонатом в живописной коллекции музея, насчитывающей ныне более 320 предметов, стало масштабное полотно «Передача Романовых Уральскому Областному Совету», заказанная в 1927 году московскому художнику Владимиру Пчелину наркомом НКВД Александром Белобородовым. Благодаря тому, что первым художником музея был уральский живописец Виктор Зинов, художественная коллекция музея в советские годы пополнялась в большинстве высокохудожественными произведениями в стиле соцреализма. В это время была создана целая галерея картин из жизни Якова Свердлова и уральских революционеров. Среди имен уральских художников, представленных в реалистическом жанре, можно упомянуть Ивана Бондаренко, одного из создателей художественной школы Казахстана, и Миши Брусиловского. Писал для музея Борис Кондрашин — заведующий кафедрой живописи Свердловского архитектурного института, и Герман Мелентьев, ученик русского художника-передвижника Владимира Маковского. Поступали в фонды и работы монументалиста Геннадия Мосина, Татьяны Партиной и Николая Чеснокова.

Помимо этого в музей поступали и копии картин, хранившихся в столичных музеях. С приходом 1990-х годов в собрание стали поступать произведения из частных коллекций: живопись бытового плана и работы с видами Екатеринбурга. Среди наиболее значимых поступлений есть и работы западноевропейских художников. К примеру, голландский пейзаж художника Николаса Брайнистейна представляет собой едва ли не единственный образец голландской живописи, выполненной в годы Первой мировой войны и хранящейся в музеях России.

После передачи коллекций Уральского музея молодежи фонды музея пополнились обширной и систематической коллекцией уральской живописи ХХ века. При этом в собрание музея поступили как классические произведения советского периода, так и многочисленные произведения современных живописцев, работы которых до этого практически не формировались в музейных собраниях Урала.

Из последних поступлений наиболее полно представлено творчество свердловского зодчего Георгия Валенкова — портреты эпохи авангарда 1920-1930-х годов, а также картины на классические литературные сюжеты.