U prvoj godini rada Muzeja (1950.) formirano je pet zbirki: Arheološka, Historijska, Etnografska, Zbirka pomoćnih predmeta i Umjetnička zbirka koja je brojala, 25 godina poslije, 804 predmeta, a 50. godišnjicu postojanja dočekuje s blizu 1.200 eksponata. U ovih 75 godina postojanja Umjetničku zbirku su vodili: Ljubica Mladenović (1949‒1979.), Mehmed Klepo (1980‒2001.) i Hamdija Dizdar (2007‒2012; 2019. do danas). Umjetnička zbirka se širila i bogatila otkupom, razmjenom s drugim institucijama, legatom i poklonom.
Muzejska dokumentacija ukazuje na to da je u periodu od osnivanja Muzeja do početka agresije na Bosnu u Hercegovinu i poslije rata do danas otkupljeno 547 umjetničkih djela. Veliki je dio otkupljen sa samostalnih izložbi i grupnih godišnjih izložbi autora. Sredstva za otkup nekada su osiguravana kroz Fond samoupravne interesne zajednice za kulturu NR BiH, fondova za otkup umjetničkih djela Skupštine Grada i Skupštine Općine Centar, Gradske zajednice za kulturu, a danas su to sredstva iz budžeta za otkup Ministarstva kulture i sporta Kantona Sarajevo. Najviše umjetničkih djela koja su putem poklona obogatila zbirku možemo podijeliti na dva perioda: od 1949. do 1955. godine i od 1965. do 1980. godine. U spomenutim periodima poklonjeno je 515 umjetničkih djela. Umjetničku zbirku čini više kolekcija: pravoslavne ikone, karikature, portreti sarajevskih građana i sarajevskih gradonačelnika, akvareli starog Sarajeva, autoportreti sarajevskih slikara, pejsaži i vedute Sarajeva, te kolekcija savremenog slikarstva i vajarstva.
Osim nesporne umjetničke, kulturne i religijske vrijednosti, kolekcija ima i dokumentarističku vrijednost. Kolekcija pravoslavnih ikona predstavlja još jednu od vrijednosti Umjetničke zbrike. Riječ je o dvadeset i pet (25) ikona nastajalih u periodu od 16 do 18. vijeka, koje predstavljaju neprocjenjive artefakte crkvenog slikarstva iz tog vremena. Ikone su poklon Muzeju od Srpske crkvene pravoslavne opštine, otkupljene od sarajevskih porodica Jeftanović, Rakić, Ilić, Savić, te od slikara Đoke Mazalića, ili od tadašnjih gradskih odbora u periodu od 1949. do 1955. godine. Nema tačnih podataka o ljudima koji su radili na izradi ikona, ali u vremenu nastajanja ikona identificirani su kao ikonopisci poput: Todora Vukovića Desisalića, Maksima Tujovića, Sanka Daskala itd. Kolekcije portreta sarajevskih građana i sarajevskih gradonačelnika idu u prilog ovoj tezi. Mehmed Klepo navodi da su portreti građana rađeni u akademskom maniru. Od slikara je traženo da tačno na platno prenesu njihov lik, da fotografski reproduciraju raskoš nakita i odjeće na njima, te da je Spiridon Špiro Bocarić bio jedan od najvještijih slikara-portretista toga vremena. Od tada do danas, kolekcija se proširila na pedesetak portreta građana Sarajeva. Za izradu svojih portreta ili portreta članova svojih porodica plaćali su imućniji ljudi tog vremena ili tadašnja vlast. Zbirku, između ostalog, čine portreti Manojla Jeftanovića, Atanasije Šole, Ahmeda Grebe, Salke Lagumdžije, Milke Hun, Ilije Kecmanovića i drugih.
Godine 1905. Gradska uprava Sarajeva donijela je odluku da se izrade portreti dotadašnjih gradonačelnika. Zahvaljujući ovoj odluci Grada, zabilježni su prvi službeni portreti, među kojima se nalazi i portret Mustajbega Fadilpašića, prvog gradonačelnika Sarajeva, Mehmed-bega Kapetanovića Ljubušaka, drugog gradonačelnika Sarajeva, političara koji je sve svoje slobodno vrijeme posvećivao prikupljanju narodnog blaga i pisanju pjesama. Vjerovatno ponesen plemenitošću lica koje je slikao, Špiro Bocarić je u liku Hadži Nezir ef. Škaljića, trećeg gradonačelnika i čovjeka čiji je cijeli život bio posvećen tumačenju zakona, dao svoj najbolji portret. Rudolf Valić, koji je sa svojom ženom Ludvigom priredio izložbu u Sarajevu 1912. godine, iskoristio je taj svoj boravak da naslika portret i četvrtog gradonačelnika, Esada ef. Kulovića. Portrete sarajevskih gradonačelnika, pored spomenutih Bocarića i Valića, još su radili Ivana Kobilica i Mehmed Klepo.
Umjetničku zbirku čini i pedeset karikatura poznatih ličnosti grada Sarajeva. Karikature u boji uradio je Alija Hafizović Haf. U kolekciji se, između ostalih, nalaze karikature: Safeta Pašalića, Safeta Isovića, Rejhana Demirdžića, Džemala Bijedića, Emerika Bluma i drugih. Kolekciju pejsaža i veduta Sarajeva predstavljaju umjetnici i slikari koji su začetnici građanskog slikarstva u BiH. U prvom dijelu to su slikari amateri i vojni lajtnanti koji dolaze s austrougarskom vojskom nakon 1878. godine (Theodor Bradwiser, Antal Kerešteši, I. I. Kirchner i dr.), do prvih bosanskohercegovačkih umjetnika (Špiro Bocarić, Todor janković, Gabrijel Jurkić, Karlo Mijić, Petar Šain, Vilko Šeferov, Petar Tiješić, Roman Petrović i dr.), koji svoju prvu likovnu naobrazbu stiču po evropskim školama i akademijama od Zagreba, Beča, Minhena, Krakova, Praga, Petrograda, Pariza i dr.
Kolekcija savremenog slikarstva i vajarstva također je dragocjena i bogata. U njoj se nalazi veliki broj umjetničkih djela savremenih bosanskohercegovačkih slikara i vajara. Njen najveći broj prikupljen je u periodu od osamdesetih i devedesetih godina prošlog vijeka, u periodu kada bosanskohercegovačka umjetnost bilježi veliki procvat koji možemo nazvati „zlatno doba“ bh. slikarstva (Ljubo Lah, Milorad Ćorović, Mladen Soldo, Safet Zec, Sead Musić, Seid Haanefendić, Radoslav Tadić, Ratko Lalić, Halil Tikveša, Nusret Pašić, Edin Numankadić, Affan Ramić, Narcis Kantardžić, Sead Čizmić, Salim Obralić, Mustafa Skopljak, Sadko Hadžihasanović, Ismet Rizvić, Radenko Mišević, Arfan Hozić, Franjo Likar, Petar Waldeg, Milivoj Unković i dr.). Dio bogatog fonda Umjetničke zbirke bio je izložen na stalnoj postavci u prostorima sadašnjeg Fakulteta islamskih nauka, gdje je do 1992. godine i bilo sjedište Muzeja, a drugi dio je izlagan povremeno kroz tematske izložbe („Sarajevo u djelima likovnih umjetnika“, „Sarajevo kroz umjetnički pejzaž“, „Zanati i trgovina starog Sarajeva na umjetničkim slikama“, „Akvareli starog Sarajeva“, „Kako su se sami naslikali“ i dr.), na različitim lokacijama u gradu.
Muzej grada Sarajeva imao je kontinuiranu i razvijenu saradnju s gradskim muzejima Beograda, Zagreba i Skoplja. Iz ove saradnje proizašle su veoma značajne i bogate tematske gostujuće izložbe ove ustanove, mahom sačinjene iz fundusa Umjetničke zbirke. Početak rata 1992. godine donio je nove izazove za Umjetničku zbirku. Tokom i nakon rata nekoliko puta mijenjala je lokacije iz razloga da se umjetnička djela sačuvaju od ratnih razaranja. Prije nego je dobila svoj konačni smještaj na današnjoj lokaciji Muzeja, zbirka je privremeno bila smještena u Muzeju Jevreja i zgradi Fakulteta islamskih nauka. Premještanja zbrike dovela su su do stanovitih oštećenja na umjetničkim djelima, ali nakon što je zbrika pronašla svoju stalnu i sigurnu lokaciju, pokrenut je proces restauracije i obnove umjetničkih djela i ramova.
Zaposlenici Muzeja su u ratnim okolnostima i pod konstantnim granatiranjem Sarajeva pokazali iznimnu hrabrost i organiziranost kako bi umjetnička djela bila spašena. Prva poslijeratna izložba postavljena je 2008. godine pod nazivom „Sarajevo birvatile“. Održana je u prostorijama Collegiuma Artisticuma na kojoj je predstavljeno osamdesetak djela, a izložba je bila podijeljena u četiri tematske cijeline: „Čaršija i mahale sa sokacima“, „Zanati i dućani“, „Pejzaž i vedute“ i „Portreti ljudi iz svakodnevnog života“.
Umjetnička zbrika izlagana je i van granica Bosne i Hercegovine (Dani Sarajeva u Beču 2009, Birvakile Sarajevo, 2023. u Ankari). U periodu od 2008. godine do 2024. organizirano je osamnaest tematskih izložbi iz fundusa Umjetničke zbirke.
Muzej Sarajeva nastavio je otkup umjetničkih djela, ali u nešto manjem obimu nego prije agresije na BiH, uslijed ratnih okolnosti i poslijeratne obnove. Tren rasta otkupa umjetničkih djela porastao je posljednjih godina povećanim angažmanom Ministarstva kulture i sporta Kantona Sarajeva.
Muzej se danas susreće s mnogim izazovima. Jedan od njih je da Umjetnička zbirka treba adekvatan prostor kako bi građani Sarajeva, turisti i svi drugi koje to zanima mogli vidjeti zbirku u njezinom punom kapacitetu. Trenutno je Muzeju na raspolaganju Mala galerija Brusa bezistana koja nije dovoljno kapacitirana za stalnu postavku kompletne Umjetničke zbirke, ali je prvi put poslije rata u njoj smještena stalna, nepotpuna, izložbena postavka „Sarajevo kao imaginacija“.
Pred Muzejom, pored izazova da osigura prostor za stalnu postavku zbirke, stoji izazov digitalizacije Umjetničke zbirke Muzeja. Transformacija zbirke i njenih kolekcija iz analognog u digitalno predstavlja budućnost koja će biti vidiljiva u vrijeme obilježavanja 100 godina postojanja Muzeja Sarajevo s virtuelnim gostima iz cijelog svijeta.
