Das Spektrum der Sammlungen verdankt die Staatsgalerie ihrer ebenso langen wie wechselvollen Geschichte. Sie reicht zurück bis ins 18. Jahrhundert, in die Zeit der württembergischen Herzöge. Deren Sammlungen bilden den Grundstock der Bestände Alter Meister. Gemäß dem Bildungsideal des 19. Jahrhunderts lag bald ein Schwerpunkt auf dem »Schwäbischen Klassizismus«, der heute einen singulären Platz einnimmt.

Im 20. Jahrhundert setzten erstmals kunsthistorisch ausgebildete Direktoren Akzente in den historischen Sammlungen und im Bereich der damaligen Avantgarde. Große Verluste durch Beschlagnahmungsaktionen der Nationalsozialisten und Zerstörung während des Zweiten Weltkriegs brachten eine tief greifende Zäsur. Seit 1945 erfolgt der gezielte Auf- und Ausbau in den Sammlungsbereichen des 20. Jahrhunderts bis heute.