Museet ejer markante samlinger af dansk kunst igennem 300 år og moderne international kunst. Fra 1700-tallet kan fremhæves værkerne af N.A. Abildgaard, og fra 1800-tallet den danske Guldalderkunsts mestre, Christoffer Wilhelm Eckersberg, Christen Købke, Johan Th. Lundbye, Jørgen Roed, Martinus C. W. Rørbye, Wilhelm Marstrand og P. C. Skovgaard. Nationalromantiske billeder af Jørgen Sonne, Julius Exner, Chr. Dalsgaard, og landskabsmalerier af Janus la Cour, samt socialrealistiske skildringer af Frants Henningsen og Edv. Petersen. Fra omkring århundredskiftet har museet en fornem samling af Hammershøi og hovedværker af P.S. Krøyer og J. F. Willumsen.

Det modernistiske gennembrud i 1900-tallet er rigt repræsenteret med værker af Harald Giersing, Edvard Weie, Olaf Rude, Vilhelm Lundstrøm, og de kraftfulde landskabsskildringer af Jens Søndergaard, Niels Lergaard og Olaf Høst. En grundpille i den abstrakte kunst udgøres af museets Richard Mortensen samling sammen med Robert Jacobsens skulpturer. Den ekspressive kunst af Svend Wiig Hansen og den fabulerende af Asger Jorn og de øvrige Cobra-malere.

Fra den nyere tid ejer museet store samlinger af Bjørn Nørgaard og Per Kirkeby, ligesom 80’ernes unge vilde kunstnere er rigt repræsenteret også med senere værker. Fra den nyeste tid er også internationale kunstnere kommet ind i samlingen med værker af bl.a. Miwa Yanagi og Carsten Höller, ligesom installationskunsten har vundet indpas igennem Olafur Eliasson, Tony Oursler, James Turrell, Bill Viola og andre.

Aktuelt udstilles værker fra samlingen i udstillingerne ARoS Samling: 1960 – nu, Human Nature – Kunst fra samlingen samt i Installationskunst på niveau 0.