Колекцията на Софийска градска художествена галерия представя българското изкуство от края на 19-ти век до днес. От първите академични художници преди и след Освобождението, през влиянията на импресионизма, символизма и сецесиона, до промените през 30-те години на 20-ти век, сбирката показва в пълнота началото на светското изкуство у нас. Във фондовете се съхраняват произведения от първите години на социалистическата власт след 1944 г., от времето на култа към личността и последвалото „размразяване“ в началото на 60-те години. Изключително богато са представени 70-те и 80-те години. През последното десетилетие усилията на екипа са съсредоточени, както в посока на обогатяване на наличната сбирка, така и на интегриране на съвременните форми на изкуство в музейната политика. Началото на колекцията е поставено през 1929 г. от първия уредник Коста Вълев. Започва като сбирка на творби от софийски художници или предимно на произведения, посветени на историята и съвремието на града. Днес това е само една от посоките. Във фондовете на музея продължават да влизат работи, които отразяват промените в града. Друга тенденция, съхранена от самото начало и развивана през годините, е колекционирането на портрети на представители на интелигенцията и обществени личности. През 2008 г. след сериозна събирателска акция галерията представи пред публиката своята колекция от автопортрети на художници, наброяваща над 200 творби. През годините попълването на фондовете върви с различна интензивност. С обособяването на Градската галерия като самостоятелна институция през 1952 г. работата в тази посока се засилва. Основният източник са самостоятелните изложби, общите художествени изложби и конкурсите на тема София. Първият е обявен през 1964 г., а последният е организиран през 1989 г. Най-тежък е периодът 1991-2007 г., през който музеят няма бюджет за откупки и разчита единствено на дарения. Колекцията е разделена в четири отдела: Живопис, Скулптура, Графика, Съвременно изкуство и фотография. Последният фонд е най-новият и е основан през 2004 г. в отговор на настъпилите промени в изкуството и в художествения живот. Колекцията на СГХГ е представителна за развитието на българското изкуство от края на 19-ти век до днес. Тя покрива всички периоди, тенденции, стилове и имена. Доказателство за това е проектът „Възможната история“, реализиран през 2012-2013 г. Изследването е базирано върху сбирката на музея и е първият опит за нов прочит на историята на изкуството след премените през 1989 г.