Коллекция древнерусской иконописи НГХМ насчитывает около 500 экспонатов. В ее основу были положены два известных в России частных собрания, сформировавшихся в конце XIX – начале XX века: собрание Григория Прянишникова (Городец) и Дмитрия Сироткина (Нижний Новгород). В музейную коллекцию вошли также произведения из уничтоженных или закрытых после 1917 года храмов и монастырей.
Живопись XVIII - первой половины XIX вв. сформировалась в музее в основном в послереволюционные годы, когда в собрание были переданы произведения, находившиеся прежде во владении известных дворянских и купеческих семей: Шереметевых, Орловых-Давыдовых, Абамелек-Лазаревых, Рукавишниковых и др. В эту группу входят портреты кисти Федора Рокотова, «Гадающая Светлана» Карла Брюллова – единственное в наследии художника жанровое полотно, написанное на русскую национальную бытовую тему, «Берега Далмации» Ивана Айвазовского и многие другие.
Особое место в собрании НГХМ занимают произведения художников местной арзамасской школы – первой в России частной школы живописи и рисунка, открытой академиком Александром Ступиным в 1802 году. Музей располагает работами многих ступинских учеников, ставших впоследствии известными живописцами – Николая Алексеева-Сыромянского, Ивана Горбунова, Василия Раева, Николая Рачкова.
Живопись второй половины XIX века представлена двумя основными направлениями  – академическим и социальным реализмом. Большинство крупных произведений мастеров академической школы было подарено Императорской Академией художеств или непосредственно авторами в период создания музея и вскоре после открытия музея. Среди них первый в музейном собрании экспонат – полотно Николая Кошелева «Погребение Христа», подаренное автором вместе с пейзажами, этюдами и эскизами на исторические, библейские, евангельские темы, в том числе сделанными для росписей интерьеров храма Христа Спасителя в Москве. В числе первых поступлений были и такие произведения, как «Последние минуты Дмитрия Самозванца» Карла Венига, «Иаков узнает одежду Иосифа» Александра Новоскольцева и многие другие. Характерными образцами академической живописи являются также картины Константина Маковского, Генриха Семирадского, Павла Сведомского и других.
Социальный реализм демонстрируется произведениями ведущих художников Товарищества – Василия Перова, Ильи Репина, Ивана Крамского, Алексея Саврасова, Ивана Шишкина, Василия Поленова, Виктора Васнецова, Владимира Маковского, Николая Ярошенко и других.
Помимо постоянной экспозиции русского искусства в Доме губернатора будут проходить самые различные выставки.