Pérugin, Gérard David, Clouet et Véronèse constituent les premiers grands jalons d’un parcours qui se prolonge avec un ensemble exceptionnel de peintures du XVIIe siècle : il compte des chefs-d’œuvre de Rubens, Caravage, Velázquez, Vouet, La Hyre, Poussin, Le Sueur…

Les salles consacrées à l’art du XVIIIe siècle confrontent des peintures de Fragonard, Boucher et Hubert Robert, des sculptures et des objets d’arts. Par la richesse du fonds, par l’ampleur des mouvements artistiques représentés, par la présence d’œuvres de référence des plus grands maîtres d’Ingres à Monet, le musée est un temple de la peinture du XIXe siècle : Géricault, Delacroix, Corot, Gustave Moreau, Degas ou Monet y sont représentés par certains de leurs chefs-d’œuvre, alors que la donation de François Depeaux (1909) a établi à Rouen la première collection impressionniste de France hors de Paris. Modigliani, Dufy et les frères Duchamp ouvrent les collections du XXe siècle, qui se développent essentiellement autour du groupe de Puteaux, puis de l’abstraction (Vieira da Silva, Dubuffet, Nemours). Avec des œuvres ambitieuses de Delvoye ou Varini, l’art du XXIe siècle est désormais entré au musée.